| 研究課題/領域番号 |
17H06125
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
野田 進 京都大学, 工学研究科, 教授 (10208358)
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| 研究分担者 |
浅野 卓 京都大学, 工学研究科, 准教授 (30332729)
井上 卓也 京都大学, 工学研究科, 助教 (70793800)
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| 研究期間 (年度) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| キーワード | 熱輻射制御 / 近接場 / フォトニック結晶 / 熱光発電 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、高温物体と受光素子を近接させた際に生じる近接場熱輻射に着目し、フォトニック結晶を活用することで所望の帯域のみで黒体輻射限界を超える熱輻射を引き出す技術を確立し、高出力・高効率な熱光発電への展開の基礎を築くことを目的とする。昨年度は、フォトニック結晶を導入した光源から生じる近接場熱輻射スペクトルの一般的な解析手法を確立し、具体的な光源・受光素子の設計を行うとともに、設計した受光素子（Si中間基板上InGaAs太陽電池）の試作を行った。
今年度は、はじめに、近接場熱輻射制御のより体系的な理論構築を目指し、昨年度に確立した解析手法を発展させ、光源に2次元フォトニック結晶を導入した場合の近接場熱輻射スペクトル解析を行った。その結果、フラットバンドを有する2次元フォトニック結晶においては、波長選択的に黒体限界を超えて熱輻射が太陽電池側へと引き出されることが明らかとなり、フォトニック結晶を利用しない場合や1次元フォトニック結晶の場合と比較して、熱輻射スペクトルの大幅な狭帯域化が実現しうることを見出した。 次に、近接場熱輻射制御の実証を目指して、薄膜Si熱輻射光源の作製プロセスの開発に取り組んだ。様々な光源構造の試作を行い、白色光照射時のFabry-Perot干渉を利用して光源平坦性の評価を行った結果、幅の狭い多数の梁で光源を支持する構造において、1000Kまで加熱しても光源全体の反りを200nm未満に抑制可能であることを見出した。さらに、上記の薄膜Si熱輻射光源と昨年度に作製したSi中間基板上InGaAs太陽電池を、平行に対向させつつピエゾステージ制御により近接させる光学系を構築し、両者の近接実験を行った結果、光源を加熱した状態で両者の距離を300nm程度まで近接させることに成功し、両者が離れた場合と比較して、太陽電池で生じる光電流が5倍に増大されることを定性的に実証した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本研究では、フォトニック結晶による近接場熱輻射の自在な制御の実現を目指しており、研究項目として、(I)体系的理論構築、(II)光源・受光素子対の近接場結合法の確立、(III)近接場熱輻射制御の実証および熱光発電への展開、の3項目を設定している。今年度は、昨年度に引き続き(I)(II)を検討するとともに、当初の計画よりも早く(III)の検討にも着手した。
(I)に関しては、昨年度の解析ではフォトニック結晶の周期性が1次元の場合の検討に留まっていたが、今年度は、より一般的な2次元的な周期性を有するフォトニック結晶の利用について解析を行った。その結果、2次元フォトニック結晶スラブ特有の光の分散制御（バンドギャップやフラットバンド）が、近接場熱輻射スペクトルの制御にも利用可能であることが明らかとなり、フォトニック結晶を活用した近接場熱輻射制御理論のさらなる体系化を進めることができた。なお、本成果は、査読付き学術雑誌に掲載された[Opt. Express, vol.26, 32074 (2018)]。
(II)に関しては、昨年度に受光素子側の作製プロセスを確立したため、今年度は、光源側の作製プロセスの確立に注力した。昨年度の理論検討においては、卍型光源支持構造が光源平坦性の維持に有効であることを見出していたが、光源の試作と平坦性の評価を繰り返すうちに、より平坦性の維持に優れた多重梁構造の作製に成功した。その結果、当初の計画よりも早く、(III)の研究項目を開始することが可能となった。今年度は初期検討として、ピエゾステージを用いて光源・太陽電池間距離の制御を行った結果、光源を加熱した状態で太陽電池との距離を300nm程度まで近接させることに成功し、光電流の増大を定性的に実証することに成功した。
以上により、全体として本研究課題は当初の計画以上に進展しているといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
今年度の検討では、光源・受光素子間の距離を300nm程度まで減少させることに成功し、初期的に近接場熱輻射伝達による光電流の増大を実証することに成功した。次年度は、数値計算で予想される10倍以上の光電流の増大を実証するべく、はじめに、加熱した光源と受光素子をさらに至近距離（100~200nm）まで近接させる技術を確立することを目指す。そのためには、光源・受光素子間距離および光源温度を精度よく測定する必要があるが、現在の白色光干渉（波長600-900nm）による距離推定手法では、距離300nm以下で光源・受光素子間のFabry-Perot干渉を観察できないため、距離・温度の正確な推定が困難である。そこで、受光素子表面の一部に距離測定用の深堀領域を設ける工夫や、より長波長域（>900nm）の分光も活用することで、300nm以下の近接時にも精度良く距離・温度推定を行う手法を確立する。さらに、今年度の検討では、光源（薄膜Si熱輻射光源）と受光素子（Si基板上InGaAs太陽電池）を個別に作製し、後からピエゾステージ制御により両者の距離を変化させて近接場熱輻射伝達の実証を行ったが、より小型なシステムで、振動等の影響を受けずに安定して光源・太陽電池の近接を実現するべく、光源と受光素子を基板融着法により一つのチップに集積化した、近接場熱輻射伝達デバイスの開発にも取り組む。これらの検討を通して、光源・受光素子対の近接場結合法の確立を実現した後に、作製光源の高温加熱（>1000 K）を行いながら受光素子の光電流の測定を繰り返し行い、得られた結果を数値計算結果と比較しながら、近接場光による光電流の増大効果を定量的に実証することを目指す。
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