(57)【要約】【課題】アブソーバとエミッタとを一体化させて用いた際に、熱エネルギーの吸収効率が良く熱エネルギーの放出効率が良いアブソーバ・エミッタを提供することを目的とする。【解決手段】一方の主面に熱エネルギーを吸収するアブソーバ面（ＡＰ）と、他方の主面に前記アブソーバ面（ＡＰ）により吸収された熱エネルギーを放出するエミッタ面（ＥＰ）とを備えた熱光起電力発電に用いられるアブソーバ・エミッタ（１０１）であって、前記アブソーバ面（ＡＰ）が、少なくとも最表面が金属であって微細構造を有しており、前記エミッタ面（ＥＰ）が、少なくとも最表面が金属であって前記アブソーバ面（ＡＰ）とは異なる微細構造を有しており、前記アブソーバ面（ＡＰ）の吸収特性が、可視光線の波長の可視領域にピークを有し、前記エミッタ面（ＥＰ）の放出特性が、赤外線の波長の赤外領域にピークを有していることを特徴とした。【選択図】図２
2014216379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の主面に熱エネルギーを吸収するアブソーバ面と、他方の主面に前記アブソーバ面により吸収された熱エネルギーを放出するエミッタ面とを備えた熱光起電力発電に用いられるアブソーバ・エミッタであって、
前記アブソーバ面は、少なくとも最表面が金属であって表面プラズモンポラリトン共鳴を発現する微細構造を有しており、
前記エミッタ面は、少なくとも最表面が金属であって前記アブソーバ面とは異なる表面プラズモンポラリトン共鳴を発現する微細構造を有しており、
前記アブソーバ面の吸収特性が、可視光線の波長の可視領域にピークを有し、
前記エミッタ面の放出特性が、赤外線の波長の赤外領域にピークを有していることを特徴とするアブソーバ・エミッタ。
【請求項２】
波長が１.３〜２μｍの範囲の波長領域で、前記エミッタ面の前記放出特性が前記アブソーバ面の前記吸収特性よりも高いことを特徴とする請求項１に記載のアブソーバ・エミッタ。
【請求項３】
前記エミッタ面より放出される特定のピーク波長をλｐ２とし、
前記エミッタ面の微細構造は、一定方向に延びる矩形状の断面を有する溝が一定周期で形成されており、
当該一定周期をＰ２、当該溝の幅をＷ２ 、当該溝の深さをＤ２とした場合に、
１.０＜λｐ２／Ｐ２＜２.７
０.２＜Ｗ２／Ｐ２＜０.７
０.３＜Ｄ２／Ｗ２＜０.８
を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアブソーバ・エミッタ。
【請求項４】
前記アブソーバ面に吸収される特定のピーク波長をλｐ１とし、
前記アブソーバ面の微細構造は、一定方向に延びる矩形状の断面を有する溝が一定周期で形成されており、
当該一定周期をＰ１、当該溝の幅をＷ１ 、当該溝の深さをＤ１とした場合に、
１.１＜λｐ１／Ｐ１＜１.９
０.２＜Ｗ１／Ｐ１＜０.７
０.３＜Ｄ１／Ｗ１＜０.８
を満たすことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のアブソーバ・エミッタ。
【請求項５】
前記アブソーバ面及び前記エミッタ面の前記最表面の金属は、タングステン、モリブデン、またはそれらを主成分とする合金からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のアブソーバ・エミッタ。
【請求項６】
前記アブソーバ面と前記エミッタ面とが、板状の金属からなる基材の両面に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のアブソーバ・エミッタ。
【請求項７】
前記基材は、タングステン、モリブデン、またはそれらを主成分とする合金からなることを特徴とする請求項６に記載のアブソーバ・エミッタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギーを電力に変換する熱光電力発電に用いられるアブソーバ・エミッタに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温の熱を利用してエミッタを加熱し、そこから出る熱放射エネルギーを光電変換素子により直接電気に変換する発電である、熱光起電力発電｛ＴＰＶ（Thermophotovoltaic）発電｝は、１９６０年にアメリカで初めて提唱され、近年地球温暖化や化石燃料の枯渇等で地球環境への対応が課題となってきたこともあり、環境への負荷が小さく、高効率で信頼性が高い発電として、有望な候補として注目されてきた。
【０００３】
この熱光起電力発電において、高温の熱を利用する方法として、溶鉱炉のような工業的な熱源からでる熱輻射熱を利用する方法や太陽光の熱を集熱して利用する方法が一般的に知られている。特許文献１では、太陽熱光起電力発電システムに用いられる波長選択性太陽光吸収材料が提案されている。特許文献１の従来例１で述べられている太陽熱光起電力発電システム８０１は、図９に示すように、集中太陽光８０２などにより高温（１５００Ｋ程度）に加熱されたエミッタ８０３から出る熱放射光８０２ａをフィルタ８０４に通過させ、その通過光８０２ｂを光電変換（Photovoltaic；ＰＶ）セル８０５に入射して電力を得るシステムである。そして、従来例１では、集中太陽光８０２などが入射する入射面の材料表面に、最適な形状の微細構造を形成することによって、可視光線及び近赤外線の波長領域で、太陽光吸収係数が高く、放射率が低くなる波長選択性太陽光吸収材料が得られるとしている。
【０００４】
一方、特許文献２では、熱光起電力発電に用いられる熱光起電力発電用エミッタ材料が提案されている。特許文献２の従来例２で述べられている熱光起電力発電用エミッタ材料は、図１０に示すように、アルミナ相９１０（図中の黒い部分）とアルミの複合酸化物９２０（図中の白い部分）とから構成される凝固体を用いることで、選択的に用いる波長で高い放射率を有する選択エミッタ材料が得られるとしている。
【０００５】
このようにして、従来例１のように熱エネルギーの吸収に注目したアブソーバや従来例２のように熱エネルギーの放射に注目したエミッタのそれぞれに関し、各々単独での検討、改善は様々なされてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３３２６０７号公報
【特許文献２】特開２００６−２９８６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、アブソーバで吸収した熱エネルギーをどうエミッタに伝えて効率良く放射させるかは殆ど検討されていなく、特に、アブソーバとエミッタとを一体化させて用いようとすると、アブソーバ及びエミッタが高温となってエミッタ側からの放射量の増大が見込める際に、熱エネルギーの吸収が良いアブソーバ側から吸収と同じように熱エネルギーが放射され、エミッタ側に熱エネルギーが効率良く伝わらず、エミッタからの放射量が低下してしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するもので、熱エネルギーの吸収効率が良く熱エネルギーの放出効率が良いアブソーバ・エミッタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題を解決するために、本発明の請求項１によるアブソーバ・エミッタは、一方の主面に熱エネルギーを吸収するアブソーバ面と、他方の主面に前記アブソーバ面により吸収された熱エネルギーを放出するエミッタ面とを備えた熱光起電力発電に用いられるアブソーバ・エミッタであって、前記アブソーバ面が、少なくとも最表面が金属であって表面プラズモンポラリトン共鳴を発現する微細構造を有しており、前記エミッタ面が、少なくとも最表面が金属であって前記アブソーバ面とは異なる表面プラズモンポラリトン共鳴を発現する微細構造を有しており、前記アブソーバ面の吸収特性が、可視光線の波長の可視領域にピークを有し、前記エミッタ面の放出特性が、赤外線の波長の赤外領域にピークを有していることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の請求項２によるアブソーバ・エミッタは、波長が１.３〜２μｍの範囲の波長領域で、前記エミッタ面の前記放出特性が前記アブソーバ面の前記吸収特性よりも高いことを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の請求項３によるアブソーバ・エミッタは、前記エミッタ面より放出される特定のピーク波長をλｐ２とし、前記エミッタ面の微細構造が、一定方向に延びる矩形状の断面を有する溝が一定周期で形成されており、当該一定周期をＰ２、当該溝の幅をＷ２ 、当該溝の深さをＤ２とした場合に、
１.０＜λｐ２／Ｐ２＜２.７、０.２＜Ｗ２／Ｐ２＜０.７、０.３＜Ｄ２／Ｗ２＜０.８
を満たすことを特徴としている。
【００１２】
また、本発明の請求項４によるアブソーバ・エミッタは、前記アブソーバ面に吸収される特定のピーク波長をλｐ１とし、前記アブソーバ面の微細構造が、一定方向に延びる矩形状の断面を有する溝が一定周期で形成されており、当該一定周期をＰ１、当該溝の幅をＷ１ 、当該溝の深さをＤ１とした場合に、
１.１＜λｐ１／Ｐ１＜１.９、０.２＜Ｗ１／Ｐ１＜０.７、０.３＜Ｄ１／Ｗ１＜０.８
を満たすことを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の請求項５によるアブソーバ・エミッタは、前記アブソーバ面及び前記エミッタ面の前記最表面の金属が、タングステン、モリブデン、またはそれらを主成分とする合金からなることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の請求項６によるアブソーバ・エミッタは、前記アブソーバ面と前記エミッタ面とが、板状の金属からなる基材の両面に形成されていることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明の請求項７によるアブソーバ・エミッタは、前記基材が、タングステン、モリブデン、またはそれらを主成分とする合金からなることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によれば、本発明のアブソーバ・エミッタは、アブソーバ面の吸収特性が可視光線の波長の可視領域にピークを有し、エミッタ面の放出特性が、赤外線の波長の赤外領域にピークを有しているので、アブソーバ面から可視光線を効率良く吸収し、エミッタ面から赤外線を効率良く放出することができる。このことにより、可視領域の熱エネルギーをアブソーバ面で吸収し、エミッタ面から赤外領域の熱エネルギーを放出するようにできる。したがって、熱エネルギーの吸収効率が良く熱エネルギーの放出効率が良いアブソーバ・エミッタを提供することができる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、本発明のアブソーバ・エミッタは、波長が１.３〜２μｍの範囲の波長領域で、エミッタ面の放出特性がアブソーバ面の吸収特性よりも高いので、波長が１.３〜２μｍの赤外領域の赤外線は、アブソーバ面からの損失を抑えられつつ、エミッタ面からより効率良く放出される。このことにより、可視領域の熱エネルギーをアブソーバ面でより効率良く吸収し、エミッタ面から赤外領域の熱エネルギーをより効率良く放出することができる。
【００１８】
請求項３の発明によれば、本発明のアブソーバ・エミッタは、エミッタ面より放出される特定のピーク波長をλｐ２とし、エミッタ面の微細構造が、一定周期Ｐ２で形成された溝であり、溝の幅Ｗ２、溝の深さＤ２とした場合に、１.０＜λｐ２／Ｐ２＜２.７、０.２＜Ｗ２／Ｐ２＜０.７、０.３＜Ｄ２／Ｗ２＜０.８を満たすので、赤外線を放射させるための表面の微細構造の溝を形成する際に、溝の深さＤ２と溝の幅Ｗ２のＳＮ比を小さくすることができ、幅が広くて浅い溝を作製することになる。このことにより、最表面が金属からなるエミッタ面に形成する矩形状の溝の加工を容易に行うことができる。
【００１９】
請求項４の発明によれば、本発明のアブソーバ・エミッタは、アブソーバ面に吸収される特定のピーク波長をλｐ１とし、アブソーバ面の微細構造が、一定周期Ｐ１で形成された溝であり、溝の幅Ｗ１、溝の深さＤ１とした場合に、１．１＜λｐ１／Ｐ１＜１．９、０.２＜Ｗ１／Ｐ１＜０.７、０.３＜Ｄ１／Ｗ１＜０.８を満たすので、可視領域の熱エネルギーを吸収するための表面の微細構造の溝を形成する際に、溝の深さＤ１と溝の幅Ｗ１のＳＮ比を小さくすることができ、幅が広くて浅い溝を作製することになる。このことにより、最表面が金属からなるアブソーバ面に形成する矩形状の溝の加工を容易に行うことができる。
【００２０】
請求項５の発明によれば、本発明のアブソーバ・エミッタは、アブソーバ面及びエミッタ面の最表面の金属の材質が、タングステン、モリブデン、またはそれらを主成分とする合金なので、レアアースのような稀少金属を用いることが無く、容易に、しかも安価にアブソーバ・エミッタを作製することができる。更には、高融点金属のタングステンを用いると、アブソーバでの吸収をより多くしてアブソーバ・エミッタをより高温にすることができ、より高温になったエミッタでの放出強度より強くすることができる。このことにより、可視領域の熱エネルギーをアブソーバ面でより一層吸収し、エミッタ面から赤外領域の熱エネルギーをより一層効率良く放出することができる。
【００２１】
請求項６の発明によれば、本発明のアブソーバ・エミッタは、金属からなる基材が一方の主面にアブソーバ面と、他方の主面にエミッタ面とを備えているので、基材の両面に微細構造を形成するだけで、一体となったアブソーバ・エミッタを得ることができる。このことにより、アブソーバで吸収した熱エネルギーを効率良くエミッタに伝えて、エミッタから熱エネルギーを効率良く放出させることができる。
【００２２】
請求項７の発明によれば、本発明のアブソーバ・エミッタは、基材の金属の材質が、タングステン、モリブデン、またはそれらを主成分とする合金なので、レアアースのような稀少金属を用いることが無く、容易に、しかも安価にアブソーバ・エミッタを作製することができる。更には、アブソーバ面及びエミッタ面が形成された基材に高融点金属のタングステンを用いると、アブソーバでの吸収をより多くしてアブソーバ・エミッタをより高温にすることができ、より高温になったエミッタでの放出強度より強くすることができる。このことにより、可視領域の熱エネルギーをアブソーバ面でより一層吸収し、エミッタ面から赤外領域の熱エネルギーをより一層効率良く放出することができる。
【００２３】
したがって、本発明のアブソーバ・エミッタは、熱エネルギーの吸収効率が良く熱エネルギーの放出効率が良いアブソーバ・エミッタを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態のアブソーバ・エミッタを用いた熱光起電力発電（ＴＰＶ発電）システムの概要を示す構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態のアブソーバ・エミッタを説明する構成図であって、図１に示すアブソーバ・エミッタのＰ部分の拡大側面図である。
【図３】本発明の第１実施形態のアブソーバ・エミッタを説明する構成図であって、図３Ａは、図２に示すＱ部分の拡大斜視図であり、図３Ｂは、図２に示すＲ部分の拡大斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態のアブソーバ・エミッタを説明する図であって、アブソーバのシミュレーション結果を示したグラフである。
【図５】本発明の第１実施形態のアブソーバ・エミッタを説明する図であって、エミッタのシミュレーション結果を示したグラフである。
【図６】本発明の第１実施形態のアブソーバ・エミッタのエネルギー変換効率を説明する図であって、シミュレーション結果を示したグラフである。
【図７】本発明の第１実施形態のアブソーバ・エミッタを説明する図であって、図４と図５とのシミュレーション結果を重ね合わせたグラフである。
【図８】本発明の第１実施形態のアブソーバ・エミッタの変形例１を説明する構成図であって、図８Ａは、図３Ａと比較した拡大斜視図であり、図８Ｂは、図３Ｂと比較した拡大斜視図である。
【図９】従来例１における熱光起電力発電（ＴＰＶ発電）システムの概要を示す分解斜視図である。
【図１０】従来例２における熱光起電力発電用エミッタ材料を示す電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態のアブソーバ・エミッタ１０１を用いた熱光起電力発電（ＴＰＶ発電）システムＳＴの概要を示す構成図である。図２は、本発明の第１実施形態のアブソーバ・エミッタ１０１を説明する構成図であって、図１に示すアブソーバ・エミッタ１０１のＰ部分の拡大側面図である。図３は、本発明の第１実施形態のアブソーバ・エミッタを説明する構成図であって、図３Ａは、図２に示すＱ部分の拡大斜視図であり、図３Ｂは、図２に示すＲ部分の拡大斜視図である。なお、図１ないし図３は、模式的に構成を示すもので、実際のサイズを正確に示していない。
【００２７】
本発明の第１実施形態のアブソーバ・エミッタ１０１は、図１及び図２に示すように、熱光起電力発電システムＳＴに用いられ、板状の金属からなる基材９の一方の主面に設けられたアブソーバ面ＡＰと、他方の主面に設けられたエミッタ面ＥＰとを備えて構成される。そして、アブソーバ・エミッタ１０１は、レンズ３０１等により集光された太陽光ＤＬの熱エネルギーをアブソーバ面ＡＰで吸収し、アブソーバ面ＡＰにより吸収された熱エネルギーをエミッタ面ＥＰで赤外線に変換して、光電変換（Photovoltaic；ＰＶ）セル５０１に放出している。光電変換（Photovoltaic；ＰＶ）セル５０１は、８００ｎｍ〜１７００ｎｍに感度領域を持つＧａＳｂ光電変換セルなどが用いられ、エミッタ面ＥＰから放出された赤外線を高効率に電力変換している。なお、太陽光ＤＬの集光にレンズ３０１を用いたが、例えば反射板等を用いた他の方法でも良い。
【００２８】
先ず、アブソーバ面ＡＰは、最表面がタングステンまたはそれらを主成分とする合金からなる金属であって、図２に示すように、微細な凹凸構造を形成している。つまり、アブソーバ面ＡＰの最表面の微細構造は、図３Ａに示すように、一定方向に延びる矩形状の断面を有する溝Ａ５が一定周期Ｐ１で形成されている。なお、最表面の金属として、タングステンまたはそれらを主成分とする合金を用いたが、モリブデン、またはそれらを主成分とする合金からなる金属であっても良い。
【００２９】
また、アブソーバ面ＡＰの太陽光ＤＬの吸収特性は、アブソーバ面ＡＰに形成されたこの周期的な表面微細構造により誘起される表面プラズモンポラリトン共鳴のため、可視光線の波長の可視領域にピークを有している。なお、アブソーバ面ＡＰに吸収される特定のピーク波長をλｐ１とすると、図３Ａに示す溝Ａ５の幅をＷ１ 、溝Ａ５の深さをＤ１とした場合に、１.１＜λｐ１／Ｐ１＜１.９、０.２＜Ｗ１／Ｐ１＜０.７、及び０.３＜Ｄ１／Ｗ１＜０.８の条件を満たしている。これにより、表面微細構造の溝Ａ５を形成する際に、溝Ａ５の深さＤ１と溝Ａ５の幅Ｗ１のＳＮ比を小さくすることができ、幅が広くて浅い溝Ａ５を作製することになる。このことにより、最表面が金属からなるアブソーバ面ＡＰに形成する矩形状の溝Ａ５の加工を容易に行うことができる。
【００３０】
次に、本発明の第１実施形態のアブソーバ・エミッタ１０１の基材９は、タングステンまたはそれらを主成分とする合金からなる板状の金属板を用い、図２に示すように、前述したアブソーバ面ＡＰを一方の主面に形成し、後述するエミッタ面ＥＰを他方の主面に形成しており、アブソーバ面ＡＰとエミッタ面ＥＰとが、基材９の両面に一体となって形成されるように構成している。このため、基材９の両面に微細構造を形成するだけで、一体となったアブソーバ・エミッタ１０１を得ることができる。また、基材９の金属の材質が、タングステンまたはそれらを主成分とする合金なので、レアアースのような稀少金属を用いることが無く、容易に、しかも安価にアブソーバ・エミッタ１０１を作製することができる。なお、基材９の金属として、タングステンまたはそれらを主成分とする合金を用いたが、モリブデン、またはそれらを主成分とする合金からなる金属であっても良い。
【００３１】
このように構成された本発明の第１実施形態のアブソーバについて、モデルを作成して、アブソーバ面ＡＰにより吸収される太陽光ＤＬのシミュレーションを行った。このシミュレーションは、解析手法にＲＣＷＡ法（Rigorous Coupled Wave Analysis）を用い、ある波長の太陽光ＤＬをアブソーバ面ＡＰに入射した際のアブソーバの吸収量を求め、ある波長に対する吸収効率を比較した。
【００３２】
図４は、アブソーバのシミュレーション結果を示したグラフであり、縦軸に吸収効率、横軸に波長を示している。また、図中の破線ＦＬは、本発明の第１実施形態のアブソーバの結果ＡＢと比較するため、基材９の表面に微細構造が形成されていない平面の場合の結果を示している。なお、シミュレーションを行ったモデルのアブソーバ面ＡＰの溝Ａ５の形状は、一定周期Ｐ１＝０.４μｍ、幅Ｗ１＝０.２μｍ、深さＤ１＝０.１μｍとし、Ｗ１／Ｐ１＝０.５及びＤ１／Ｗ１＝０.５となっており、０.２＜Ｗ１／Ｐ１＜０.７、及び０.３＜Ｄ１／Ｗ１＜０.８の条件を満たしている。
【００３３】
その結果、本発明の第１実施形態のアブソーバは、アブソーバ面ＡＰに形成された周期的な表面微細構造により誘起される表面プラズモンポラリトン共鳴のため、図４に示すように、可視光線の波長の可視領域である、ピーク波長λｐ１＝０.６μｍ（６００ｎｍ）付近にピークを有しており、可視光線（３８０ｎｍ〜７５０ｎｍ）の波長領域及び近赤外線（７５０ｎｍ〜２５００ｎｍ）の可視光線側の波長領域の太陽光ＤＬの吸収効率が高くなっている。また、基材９の表面に微細構造が形成されていない平面の場合と比較しても、この吸収効率が大幅に向上している。これにより、本発明の第１実施形態のアブソーバは、アブソーバ面ＡＰから可視光線を効率良く吸収し、太陽光ＤＬからの熱エネルギーの吸収効率が良いと言える。なお、アブソーバ面ＡＰに吸収される特定のピーク波長λｐ１は、λｐ１／Ｐ１＝１.５となっており、１.１＜λｐ１／Ｐ１＜１.９の条件を満たしている。
【００３４】
次に、エミッタ面ＥＰは、上述したように最表面がタングステンまたはそれらを主成分とする合金からなる金属であって、図２に示すように、微細な凹凸構造を形成しており、アブソーバ面ＡＰとは異なる微細構造を有している。つまり、エミッタ面ＥＰの最表面の微細構造は、図３Ｂに示すように、一定方向に延びる矩形状の断面を有する溝Ｅ５が一定周期Ｐ２で形成されている。なお、最表面の金属として、高温特性に優れるタングステンまたはそれらを主成分とする合金を用いたが、モリブデン、またはそれらを主成分とする合金からなる金属であっても良い。
【００３５】
そして、エミッタ面ＥＰの赤外線の放出特性は、エミッタ面ＥＰに形成されたこの周期的な表面微細構造により誘起される表面プラズモンポラリトン共鳴のため、赤外線の波長の赤外領域にピークを有している。なお、エミッタ面ＥＰより放出される特定のピーク波長をλｐ２とすると、図３Ｂに示す溝Ｅ５の幅をＷ２、溝Ｅ５の深さをＤ２とした場合に、１.０＜λｐ２／Ｐ２＜２.７、０.２＜Ｗ２／Ｐ２＜０.７、及び０.３＜Ｄ２／Ｗ２＜０.８の条件を満たしている。これにより、表面微細構造の溝Ｅ５を形成する際に、溝Ｅ５の深さＤ２と溝Ｅ５の幅Ｗ２のＳＮ比を小さくすることができ、幅が広くて浅い溝Ｅ５を作製することになる。このことにより、最表面が金属からなるエミッタ面ＥＰに形成する矩形状の溝Ｅ５の加工を容易に行うことができる。
【００３６】
このように構成された本発明の第１実施形態のエミッタについて、モデルを作成して、エミッタ面ＥＰから放射される赤外線のシミュレーションを行った。このシミュレーションは、解析手法にＲＣＷＡ法（Rigorous Coupled Wave Analysis）を用い、解析計算モデルとして、エミッタ面ＥＰの外部から、ある波長の光をエミッタ面ＥＰに入射した際のエミッタ面ＥＰの吸収効率を求め、その結果（吸収効率）が放射効率と等価であるとし、エミッタ面ＥＰから放射される、ある波長に対する放射効率を比較した。
【００３７】
図５は、エミッタのシミュレーション結果を示したグラフであり、縦軸に放射効率、横軸に波長を示している。また、図中の破線ＦＬは、本発明の第１実施形態のエミッタの結果ＥＭと比較するため、基材９の表面に微細構造が形成されていない平面の場合の結果を示している。なお、シミュレーションを行ったモデルのエミッタ面ＥＰの溝Ｅ５の形状は、一定周期Ｐ２＝１.５μｍ、幅Ｗ２＝０.５μｍ、深さＤ２＝０.２２μｍとし、Ｗ２／Ｐ２＝０.３３及びＤ２／Ｗ２＝０.４４となっており、０.２＜Ｗ２／Ｐ２＜０.７、及び０.３＜Ｄ２／Ｗ２＜０.８の条件を満たしている。
【００３８】
その結果、本発明の第１実施形態のエミッタは、エミッタ面ＥＰに形成された周期的な表面微細構造により誘起される表面プラズモンポラリトン共鳴のため、図５に示すように、赤外線の波長の赤外領域である、ピーク波長λｐ２＝１.６μｍ（１６００ｎｍ）付近にピークを有しており、近赤外線（７５０ｎｍ〜２５００ｎｍ）の波長領域の放射効率が高くなっている。また、基材９の表面に微細構造が形成されていない平面の場合と比較しても、この放射効率が大幅に向上している。これにより、本発明の第１実施形態のエミッタは、アブソーバ面ＡＰにより吸収された熱エネルギーをエミッタ面ＥＰから赤外線として効率良く放出するので、熱エネルギーの放出効率が良いと言える。また、熱光起電力発電（ＴＰＶ発電）システムＳＴの光電変換セル５０１に、８００ｎｍ〜１７００ｎｍに感度領域を持つＧａＳｂ光電変換セルを用いているので、本発明の第１実施形態のエミッタ面ＥＰから放出された赤外線を高効率に電力変換することができる。なお、エミッタ面ＥＰから放出される特定のピーク波長λｐ２は、λｐ２／Ｐ２＝１.０７となっており、１.０＜λｐ２／Ｐ２＜２.７の条件を満たしている。
【００３９】
次に、アブソーバとエミッタとを一体化させた際のエネルギー変換効率について検証を行うため、上述した手法と同じ方法を用いてシミュレーションを行った。図６は、本発明の第１実施形態のアブソーバ・エミッタ１０１のシミュレーション結果を示したグラフであって、縦軸にエネルギー変換効率、横軸に温度を示している。また、図中の破線ＦＬは、本発明の第１実施形態のアブソーバ・エミッタ１０１の結果ＡＥと比較するため、基材９の表面に微細構造が形成されていない平面の場合の結果を示している。更に、熱エネルギーの吸収が良いアブソーバ側から吸収と同じように熱エネルギーが放射されてしまう従来技術との比較として、アブソーバを完全黒体として想定した場合の結果（図６中に示す一点鎖線ＢＬ）とも比較した。なお、シミュレーションを行ったモデルのアブソーバ面ＡＰの溝Ａ５及びエミッタ面ＥＰの溝Ｅ５の形状は、上述した形状と同じにした。また、説明を容易にするため、図４と図５とのシミュレーション結果を重ね合わせたグラフを、図７に示す。
【００４０】
その結果、本発明の第１実施形態のアブソーバ・エミッタ１０１は、図６に示すように、基材９の表面に微細構造が形成されていない平面の場合の結果（図６中に示す破線ＦＬ）と比較して、全ての温度範囲において、エネルギー変換効率が大幅に高くなっている。更に、完全黒体の結果（図６中に示す一点鎖線ＢＬ）は、太陽光ＤＬのエネルギーを完全吸収するのにも関わらず、アブソーバ側から吸収と同じように熱エネルギーが放射され、エミッタ側に熱エネルギーが効率良く伝わらず、エミッタからの放射量が低下してしまうので、エネルギー変換効率が大幅に低くなっている。
【００４１】
つまり、本発明のアブソーバ・エミッタ１０１は、図４に示すように、アブソーバ面ＡＰの吸収特性が可視光線の波長の可視領域にピークを有し、図５に示すように、エミッタ面ＥＰの放出特性が、赤外線の波長の赤外領域にピークを有しているので、アブソーバ面ＡＰから可視光線を効率良く吸収し、エミッタ面ＥＰから赤外線を効率良く放出することができる。このことにより、可視領域の熱エネルギーをアブソーバ面ＡＰで吸収し、エミッタ面ＥＰから赤外領域の熱エネルギーを放出するようにできる。
【００４２】
更には、図７に示すように、波長が１.３〜２μｍの範囲の波長領域で、エミッタ面ＥＰの放出特性（図７中に示すＥＭ）がアブソーバ面ＡＰの吸収特性（図７中に示すＡＢ）よりも高いことが、より大きく効いていると考える。つまり、波長が１.３〜２μｍの赤外領域の赤外線は、アブソーバ面ＡＰからの損失を抑えられつつ、エミッタ面ＥＰからより効率良く放出される。このことにより、可視領域の熱エネルギーをアブソーバ面ＡＰでより効率良く吸収し、エミッタ面ＥＰから赤外領域の熱エネルギーをより効率良く放出することができる。したがって、熱エネルギーの吸収効率が良く熱エネルギーの放出効率が良いアブソーバ・エミッタ１０１を提供することができる。
【００４３】
また、図６に示すように、アブソーバから吸収された熱エネルギーにより加熱されたエミッタの温度が高ければ高いほど、エネルギー変換効率が高くなっている。図６では、１５００Ｋ迄の結果を示しているが、２０００Ｋ位に最も効率が高くなっている。これにより、本発明の第１実施形態のアブソーバ・エミッタ１０１は、高融点金属のタングステンを用いているので、エミッタ面ＥＰをより高温にすることができるので、エミッタ面ＥＰでの放出強度をより強くすることができる。このことにより、アブソーバ面ＡＰで効率良く吸収した可視領域の熱エネルギーをエミッタ面ＥＰから赤外領域の熱エネルギーとしてより一層効率良く放出することができる。
【００４４】
更に、アブソーバ面ＡＰ及びエミッタ面ＥＰが形成された基材９に高融点金属のタングステンを用いているので、アブソーバでの吸収をより多くしてアブソーバ・エミッタ１０１をより高温にすることができ、より高温になったエミッタでの放出強度をより強くすることができる。このことにより、可視領域の熱エネルギーをアブソーバ面ＡＰでより一層吸収し、エミッタ面ＥＰから赤外領域の熱エネルギーをより一層効率良く放出することができる。
【００４５】
以上により、本発明のアブソーバ・エミッタ１０１は、アブソーバ面ＡＰの吸収特性が可視光線の波長の可視領域にピークを有し、エミッタ面ＥＰの放出特性が、赤外線の波長の赤外領域にピークを有しているので、アブソーバ面ＡＰから可視光線を効率良く吸収し、エミッタ面ＥＰから赤外線を効率良く放出することができる。このことにより、可視領域の熱エネルギーをアブソーバ面ＡＰで吸収し、エミッタ面ＥＰから赤外領域の熱エネルギーを放出するようにできる。したがって、熱エネルギーの吸収効率が良く熱エネルギーの放出効率が良いアブソーバ・エミッタ１０１を提供することができる。
【００４６】
また、波長が１.３〜２μｍの範囲の波長領域で、エミッタ面ＥＰの放出特性がアブソーバ面ＡＰの吸収特性よりも高いので、波長が１.３〜２μｍの赤外領域の赤外線は、アブソーバ面ＡＰからの損失を抑えられつつ、エミッタ面ＥＰからより効率良く放出される。このことにより、可視領域の熱エネルギーをアブソーバ面ＡＰでより効率良く吸収し、エミッタ面ＥＰから赤外領域の熱エネルギーをより効率良く放出することができる。
【００４７】
また、エミッタ面ＥＰより放出される特定のピーク波長をλｐ２とし、エミッタ面ＥＰの微細構造が、一定周期Ｐ２で形成された溝Ｅ５であり、溝Ｅ５の幅Ｗ２、溝Ｅ５の深さＤ２とした場合に、１.０＜λｐ２／Ｐ２＜２.７、０.２＜Ｗ２／Ｐ２＜０.７、０.３＜Ｄ２／Ｗ２＜０.８を満たすので、赤外線を放射させるための表面の微細構造の溝Ｅ５を形成する際に、溝Ｅ５の深さＤ２と溝Ｅ５の幅Ｗ２のＳＮ比を小さくすることができ、幅が広くて浅い溝Ｅ５を作製することになる。このことにより、最表面が金属からなるエミッタ面ＥＰに形成する矩形状の溝Ｅ５の加工を容易に行うことができる。
【００４８】
また、アブソーバ面ＡＰに吸収される特定のピーク波長をλｐ１とし、アブソーバ面ＡＰの微細構造が、一定周期Ｐ１で形成された溝Ａ５であり、溝Ａ５の幅Ｗ１、溝Ａ５の深さＤ１とした場合に、１.１＜λｐ１／Ｐ１＜１.９、０.２＜Ｗ１／Ｐ１＜０.７、０.３＜Ｄ１／Ｗ１＜０.８を満たすので、可視領域の熱エネルギーを吸収するための表面の微細構造の溝Ａ５を形成する際に、溝Ａ５の深さＤ１と溝Ａ５の幅Ｗ１のＳＮ比を小さくすることができ、幅が広くて浅い溝Ａ５を作製することになる。このことにより、最表面が金属からなるアブソーバ面ＡＰに形成する矩形状の溝Ａ５の加工を容易に行うことができる。
【００４９】
また、アブソーバ面ＡＰ及びエミッタ面ＥＰの最表面の金属の材質が、タングステンまたはそれらを主成分とする合金なので、レアアースのような稀少金属を用いることが無く、容易に、しかも安価にアブソーバ・エミッタ１０１を作製することができる。更には、高融点金属のタングステンを用いているので、エミッタ面ＥＰをより高温にすることができるので、エミッタ面ＥＰでの放出強度をより強くすることができる。このことにより、アブソーバ面ＡＰで効率良く吸収した可視領域の熱エネルギーをエミッタ面ＥＰから赤外領域の熱エネルギーとしてより一層効率良く放出することができる。
【００５０】
また、金属からなる基材９が一方の主面にアブソーバ面ＡＰと、他方の主面にエミッタ面ＥＰとを備えているので、基材９の両面に微細構造を形成するだけで、一体となったアブソーバ・エミッタ１０１を得ることができる。このことにより、アブソーバで吸収した熱エネルギーを効率良くエミッタに伝えて、エミッタから熱エネルギーを効率良く放出させることができる。
【００５１】
また、基材９の金属の材質が、タングステンまたはそれらを主成分とする合金なので、高温特性に優れている。更には、アブソーバ面ＡＰ及びエミッタ面ＥＰが形成された基材９に高融点金属のタングステンを用いているので、アブソーバでの吸収をより多くしてアブソーバ・エミッタ１０１をより高温にすることができ、より高温になったエミッタでの放出強度をより強くすることができる。このことにより、可視領域の熱エネルギーをアブソーバ面ＡＰでより一層吸収し、エミッタ面ＥＰから赤外領域の熱エネルギーをより一層効率良く放出することができる。
【００５２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば次のように変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の技術的範囲に属する。
【００５３】
＜変形例１＞
図８は、本発明の第１実施形態のアブソーバ・エミッタ１０１の変形例１を説明する構成図であって、図８Ａは、図３Ａと比較した拡大斜視図であり、図８Ｂは、図３Ｂと比較した拡大斜視図である。上記第１実施形態では、アブソーバ面ＡＰとエミッタ面ＥＰとが、基材９の両面に一体となって形成されるように好適に構成したが、図８に示すように、熱伝導性の良い基材Ｃ１９の一方の主面にアブソーバ面ＣＡＰを形成し、他方の主面にエミッタ面ＣＥＰを形成する構成でも良い。
【００５４】
本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００５５】
９、Ｃ１９  基材
１０１  アブソーバ・エミッタ
ＡＰ、ＣＡＰ  アブソーバ面
Ａ５、Ｅ５  溝
ＥＰ、ＣＥＰ  エミッタ面  
Ｐ１、Ｐ２    一定周期
λｐ１、λｐ２  ピーク波長
Ｗ１、Ｗ２    幅
【図１】
2014216379.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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