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表面微細周期構造による熱放射スペクトル制御と波長選択性熱放射素子への応用

Research Project

Project/Area Number 04J02955
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Thermal engineering
Research InstitutionToyota Technological Institute (2005-2006)
Tohoku University (2004)
Research Fellow 齋 均  豊田工業大学, 大学院工学研究科, PD研究員
Project Period (FY) 2004 – 2006
Project Status Completed (Fiscal Year 2006)
Budget Amount *help
¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000)
Fiscal Year 2006: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2005: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2004: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
Keywords熱放射 / 光電変換 / 回折格子 / 電磁界解析 / 反射防止 / 太陽電池 / 微細構造 / FDTD / TPV発電 / PVセル
Research Abstract

本研究では、(1)表面微細構造からの熱放射スペクトルの解析と評価、熱放射素子の実現、(2)熱放射素子に対応する高効率・広帯域な光電変換セルを開発するための基礎研究、の二つの課題に取り組んできた。最終年度となる本年度は、主に(2)の課題に取り組み以下のような成果を得た。
光電変換セルの効率向上を目的として、対象とする光の波長よりも小さな構造(サブ波長構造)による素子表面の反射抑止技術の研究を行った。前年度において、FDTD法及びRCWA法による数値解析を行って、周期100nm、アスペクト比3程度のピラミッド構造によって反射を1%程度にまで抑制できることを明らかにした。これを実証することを目的として、自己組織化構造である陽極酸化ポーラスアルミナをマスクとしたドライエッチング法を用い、シリコン基板表面にサブ波長構造を作製し、感度波長帯において実際に反射率を1%程度にまで抑制することに成功した。さらに、このサブ波長構造を持つシリコン基板を用いて光電変換セルを試作した。結果、広い入射角度に対して短絡電流増加が認められ、サブ波長構造による反射抑止が光電変換セルの性能向上に有効であることを示した。
一方、薄型基板を用いたSi光電変換セルの表面構造には、実効的な光路長を十分に確保するため、低反射率のみならず高い光閉じ込め効果が求められる。光路長増大には、入射光を斜めに進行させる回折を利用することが有効である。本研究では、低反射率と光路長増大の双方に寄与する表面構造を数値解析によって探索した。その結果、太陽光スペクトルを基準とした場合、有効な表面構造には周期500nm程度以上が要求されることを明らかにした。表面構造の最適な大きさは対象波長によって異なり、中心波長が長い低温熱放射を利用する場合は、より大きな構造が光閉じ込めに有効であると考えられる。

Report

(3 results)
  • 2006 Annual Research Report
  • 2005 Annual Research Report
  • 2004 Annual Research Report

Research Products

(13 results)

All 2006 2005 2004 Other

All Journal Article (13 results)

  • [Journal Article] Anti-reflective subwavelength structures on crystalline Si fabricated using directly formed anodic porous alumina masks2006

    • Author(s)
      H.Sai, H.Fujii, K.Arafune, Y.Ohshita, M.Yamaguchi, Y.Kanamori, H.Yugami
    • Journal Title

      Applied Physics Letters 88(20)

    • Related Report
      2006 Annual Research Report
  • [Journal Article] Study on iron distribution and electrical activities at grain boundaries in polycrystalline silicon substrate for solar cells.2006

    • Author(s)
      K.Arafune, E.Ohishi, H.Sai, Y.Terada, Y.Ohshita, M.Yamaguchi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics 45(8A)

      Pages: 6153-6156

    • Related Report
      2006 Annual Research Report
  • [Journal Article] Present status and future of crystalline silicon solar cells2006

    • Author(s)
      M.Yamaguchi, Y.Ohshita, K.Arafune, H.Sai, M.Tachibana
    • Journal Title

      Solar Energy Materials and Solar Cells Vol.80

      Pages: 104-110

    • Related Report
      2005 Annual Research Report
  • [Journal Article] Tuning of thermal radiation spectrum in the near-infrared region by metallic surface microstructures2005

    • Author(s)
      Hitoshi Sai, Yoshiaki Kanamori, Hiroo Yugami
    • Journal Title

      Journal of Micromechanics and Microengineering Vol.15

    • Related Report
      2005 Annual Research Report
  • [Journal Article] Numerical study on spectral properties of tungsten one-dimensional surface-relief gratings for spectrally selective devices2005

    • Author(s)
      Hitoshi Sai, Yoshiaki Kanamori, Kazuhiro Hane, Hiroo Yugami
    • Journal Title

      Journal of the Optical Society of America A Vol.22,No.9

      Pages: 1805-1813

    • Related Report
      2005 Annual Research Report
  • [Journal Article] Numerical study on spectral properties of tungsten one-dimensional surface-relief gratings for spectrally selective devices2005

    • Author(s)
      Hitoshi Sai, Yoshiaki Kanamori, Kazuhiro Hane, Hiroo Yugami
    • Journal Title

      Journal of the Optical Society of America A (submitted)

    • Related Report
      2004 Annual Research Report
  • [Journal Article] Present status and future of crystalline silicon solar cells2005

    • Author(s)
      M.Yamaguchi, Y.Ohshita, K.Arafune, H.Sai, M.Tachibana
    • Journal Title

      Solar Energy Materials and Solar Cells (submitted)

    • Related Report
      2004 Annual Research Report
  • [Journal Article] THERMOPHOTVOLTAIC POWER GENERATION WITH MICROSTRUCTURED TUNGSTEN SELECTIVE EMITTERS2005

    • Author(s)
      H.Sai, T.Kamikawa, Y.Kanamori, K.Hane, H.Yugami, M.Yamaguchi
    • Journal Title

      Proceedings of 19^<th> European Photovoltaic Solar Energy Conference

      Pages: 3787-3790

    • Related Report
      2004 Annual Research Report
  • [Journal Article] Thermophotovoltaic generation with selective radiators based on W surface gratings2004

    • Author(s)
      Hitoshi Sai, Hiroo Yugami
    • Journal Title

      Applied Physics Letters Vol.85,No.16

      Pages: 3399-3401

    • Related Report
      2004 Annual Research Report
  • [Journal Article] Thermophotovoltaic Generation with Microstructured Tungsten Selective Emitters2004

    • Author(s)
      H.Sai, T.Kamikawa, Y.Kanamori, K.Hane, H.Yugami, M.Yamaguchi
    • Journal Title

      Proceedings of the Sixth Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity

      Pages: 206-214

    • Related Report
      2004 Annual Research Report
  • [Journal Article] Wide-Angle Antireflection Effect by Subwavelength Structures for Solar Cells

    • Author(s)
      H.Sai, H.Fujii, K.Arafune, Y.Ohshita, Y.Kanamori, H.Yugami, M.Yamaguchi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics (submitted)

    • Related Report
      2006 Annual Research Report
  • [Journal Article] Light trapping effect of submicron surface textures in crystalline Si solar cells

    • Author(s)
      Hitoshi Sai, Yoshiaki Kanamori, Koji Arafune, Yoshio Ohshita, Masafumi Yamaguchi
    • Journal Title

      Progress in Photovoltaics (submitted)

    • Related Report
      2006 Annual Research Report
  • [Journal Article] Anti-reflective subwavelength structures on crystalline Si fabricated using directly formed anodic porous alumina masks

    • Author(s)
      H.Sai, H.Fujii, K.Arafune, Y.Ohshita, M.Yamaguchi, et al.
    • Journal Title

      Applied Physics Letters (submitted)

    • Related Report
      2005 Annual Research Report

URL: 

Published: 2004-03-31   Modified: 2016-04-21  

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