(57)【要約】      （修正有）【課題】従来よりもはるかに高い効率で熱エネルギを電気に変換する熱光起電（ＴＰＶ）変換器の提供。【解決手段】熱光起電（ＴＰＶ）変換器２００は、スペクトル選択的なメタマテリアル放射器１００と、光起電（ＰＶ）セル２１０とを含む。ＰＶセルは最適変換スペクトルを有し、メタマテリアル放射器は最適変換スペクトルにほぼ等しい固定格子周期に設定された同心円状リッジ１２１−１，１２１−２及び１２１−３から形成された標的（円形ターゲット状）構造体１２０を有して製造される。放射器が高温（１０００°Ｋ超）まで加熱された場合、同心円状リッジに生成された表面プラズモンは、固定格子周期にほぼ等しいピーク放射波長を有し且つＰＶセル上に向けられる高指向性の放射エネルギビームを生成する。【選択図】図１
2015154714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱光起電（ＴＰＶ）変換器において、
固体ベース基板上に配設された１つ以上の標的構造体を含むスペクトル選択的なメタマテリアル放射器であり、リッジ構造体の各隣接対が固定格子周期によって分離されるように、前記１つ以上の標的構造体のそれぞれが介在円形溝によって分離された複数の同心円状リッジ構造体を含むスペクトル選択的なメタマテリアル放射器と、
前記スペクトル選択的なメタマテリアル放射器によって生成された放射エネルギを受光するように固定的に配設された光起電（ＰＶ）セルであり、前記ＰＶセルが帯域外光子よりも高い効率で帯域内光子を変換する手段を含み、前記帯域内光子が最適変換波長範囲内の関連する第１の波長を有し、前記帯域外光子が前記最適変換波長範囲外の関連する第２の波長を有するＰＶセルとを備え、
メタマテリアル放射器が１０００°Ｋ超の温度まで加熱された場合に、放射エネルギが前記最適波長範囲内のピーク放射波長を有する前記１つ以上の標的構造体から放射され、それにより、前記スペクトル選択的なメタマテリアル放射器がＰＶセルに整合するように、前記１つ以上の標的構造体が構成されている、ＴＰＶ変換器。
【請求項２】
前記ＰＶセルの最適波長範囲が１ミクロンから３ミクロンであり、
前記１つ以上の標的構造体が、前記１つ以上の標的構造体のそれぞれの同心円状リッジ構造体を分離する固定格子周期が１０ナノメートルから５．０ミクロンの範囲であるように構成されている、請求項１に記載のＴＰＶ変換器。
【請求項３】
ＰＶセルが低バンドギャップのＰＶセルを含み、前記ＰＶセルの最適波長範囲が１．０ミクロンから２．０ミクロンであり、
前記１つ以上の標的構造体が、固定格子周期が０．５ミクロンから３．０ミクロンの範囲であるように構成されている、請求項２に記載のＴＰＶ変換器。
【請求項４】
前記スペクトル選択的なメタマテリアル放射器が金属から全体的に構成されている、請求項３に記載のＴＰＶ変換器。
【請求項５】
前記１つ以上の標的構造体が前記ベース基板上のセットに配設された複数の標的構造体を備え、各前記セットが、第１の固定格子周期を有する同心円状リッジ構造体の第１のグループを含む第１の標的構造体と、第２の固定格子周期を有する同心円状リッジ構造体の第２のグループを含む第２の標的構造体とを備え、第２の固定格子周期が第１の固定格子周期よりも大きい、請求項１に記載のＴＰＶ変換器。
【請求項６】
前記１つ以上の標的構造体が前記ベース基板上に配設された第１の標的構造体及び第２の標的構造体を備え、前記第１の標的構造体が同心円状リッジ構造体の第１のグループを含み、前記第２の標的構造体が同心円状リッジ構造体の第２のグループを含み、
第１及び第２の標的構造体が、第１のグループの円形リッジ構造体の少なくとも一部が第２のグループの円形リッジ構造体の少なくとも一部と交差するように多重化されている、請求項１に記載のＴＰＶ変換器。
【請求項７】
前記第１の標的構造体の同心円状リッジ構造体の前記第１のグループが第１の固定格子周期を有し、前記第２の標的構造体の同心円状リッジ構造体の前記第２のグループが第２の固定格子周期を有し、
第２の固定格子周期が第１の固定格子周期よりも大きい、請求項６に記載のＴＰＶ変換器。
【請求項８】
スペクトル選択的なメタマテリアル放射器及び光起電（ＰＶ）セルを含み、前記ＰＶセルが前記ＰＶセル上に向けられ且つ関連する最適変換スペクトルを有する放射エネルギを電気に効率的に変換する手段を含む熱光起電（ＴＰＶ）変換器を製造する方法において、
ＰＶセルの関連する最適変換スペクトルを判定することと、
スペクトル選択的なメタマテリアル放射器が１つ以上の標的構造体を含み、前記１つ以上の標的構造体のそれぞれが、判定された関連する最適変換スペクトル内の固定格子周期によって分離された複数の同心円状リッジ構造体を含むように、スペクトル選択的なメタマテリアル放射器を製造することと、
スペクトル選択的なメタマテリアル放射器が１０００°Ｋ超の温度まで後に加熱された場合に、前記１つ以上の標的構造体から放射された放射エネルギがＰＶセル上に向けられるように、メタマテリアル放射器に対してＰＶセルを固定的に取り付けることとを備える、方法。
【請求項９】
メタマテリアル放射器の製造が、
パターン化マスクが前記固定格子周期を有する複数の同心円状レジスト構造体を含むように、固体金属基板の平坦表面上にパターン化マスクを生成するためにフォトリソグラフィを利用することと、
平坦表面上に前記複数の同心円状リッジ構造体を形成するようにマスクを利用することと、
固体金属基板の平坦表面から前記マスクを除去することにより、前記固定格子周期を有する前記複数の同心円状リッジ構造体を含む前記１つ以上の標的構造体を形成することとを備える、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
メタマテリアル放射器の製造が、０．５ミクロンから５．０ミクロンの範囲の前記固定格子周期を有する前記１つ以上の標的構造体を形成することを備え、
ＰＶセルが１．０ミクロンから２．０ミクロンの範囲の前記最適波長範囲を有する低バンドギャップのＰＶセルを備え、
メタマテリアル放射器の製造が、０．５ミクロンから３．０ミクロンの範囲の関連する前記固定格子周期を有する複数の前記標的構造体を形成することを備える、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱光エネルギ変換を使用して電気を生成する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱光起電（ＴＰＶ）エネルギ変換は、熱の電気への変換を含み、１９６０年代以来、有望な技術として識別されている。基本ＴＰＶシステムは、熱放射器及び光起電ダイオード受信器を含む。熱放射器は、典型的には、高温（すなわち、典型的には約１２００°Ｋから約１５００°Ｋの範囲）に加熱されたときに熱放射を生成する固体材料片又は特別設計された構造である。熱放射は、熱放射器材料中の電荷の熱運動に起因した光子の自然放射（発光）である。通常のＴＰＶシステムの動作温度について、放射される光子は、ほとんど近赤外及び赤外線の周波数におけるものである。光起電ダイオード受信器は、これらの放射光子の一部を吸収するように配置された光起電（ＰＶ）セルを含み、典型的には従来の太陽電池に関連した様式で吸収された光子を自由電荷キャリア（すなわち、電気）に変換するように構成されている。実際には、太陽エネルギシステムは、太陽が熱放射器として機能する場合にはＴＰＶエネルギ変換システムの一種である。しかしながら、本発明は、熱放射器が（例えば、集光された太陽光又は他の熱発生装置によって）外部源から加熱される固体構造体である「地球結合」ＴＰＶエネルギ変換システムを対象としている。
【０００３】
ＴＰＶエネルギ変換は、理論的には有望であるが、実用的な従来のＴＰＶシステムは、理論的には予測よりもはるかに低い効率しか達成していない。ＴＰＶシステムは、熱体（すなわち、加熱された熱放射器）が黒体温度ＴＢＢを有する黒体放射源として記載された熱機関としてモデル化されることができ、比較的低温のＰＶ受信器は温度ＴＰＶを有し、それにより、理論的な熱力学的効率の限界は、カルノーサイクルηＣａｒｎｏｔ＝（ＴＢＢ−ＴＰＶ）／ＴＢＢによって与えられる。１５００°Ｋに等しい熱放射器温度ＴＢＢ及び３００°Ｋに等しいＰＶ受信器温度ＴＰＶについて、理論効率ηＣａｒｎｏｔは、ショックレー・クワイサーの限界（すなわち、電力を収集するためにｐ−ｎ接合を使用した太陽電池の理論上の最大効率）を超える０．８（８０％）に等しい。しかしながら、実際には、従来のＴＰＶシステムの効率は、１０％以下であることが報告されている。これは、熱放射器及びＰＶセルのスペクトル間の不整合から生じると考えられている。
【０００４】
従来のＴＰＶシステムの低い実現効率の理由の１つは、放出された光子とＰＶセルとの間の不整合によって生じる高温でのキャリアの熱化に関連している。ＴＰＶシステムの熱放出器（熱体）からの熱放射は、プランクの法則によって与えられるスペクトルパワー密度を有し、ピーク波長λｍａｘは、ウィーンの法則（λｍａｘ〜（２８９８／ＴＢＢ）μｍ）によって与えられる。高温の放射器（１１００°Ｋ≦ＴＢＢ≦１５００°Ｋ）について、ピーク波長λｍａｘは、低バンドギャップ半導体（すなわち、約０．５〜０．８ｅＶ）を有するＰＶセルを利用するためにＴＰＶシステムを必要とする１．９から２．６μｍの範囲である。そのような低バンドギャップのＰＶセルを使用することは、合理的な放射器タ温度（すなわち、１１００〜１５００°Ｋ）において帯域内光子の大きな部分を得るために、０．５ｅＶ（〜２．５μｍ）に近いバンドギャップを有する放射器材料の使用を必要とする。０．５ｅＶ以下のバンドギャップを有する放射器材料が使用された場合には、ＰＶセルの性能は、ＴＰＶシステムにおいて必要とされる高温で高いキャリア熱化をこうむる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
必要とされているものは、上述した問題を解消し、従来のＴＰＶアプローチを使用して達成されるよりもはるかに高い効率で熱エネルギを電気に変換する熱光起電（ＴＰＶ）変換器である。特に必要とされているものは、多種多様な異なるＰＶセル種類による少なくとも２５％の効率を達成するＴＰＶ変換器である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、従来のＴＰＶアプローチを使用して達成されるものよりもはるかに高い効率で熱エネルギ（例えば、集光された太陽光又は燃焼プロセスからの熱）を電気エネルギ（電気）に変換するためにスペクトル選択的なメタマテリアル放射器及び関連するＰＶセルを利用するＴＰＶ変換器を対象としている。スペクトル選択的なメタマテリアル放射器は、熱エネルギを、標的構造体を形成する同心円状リッジ構造体を分離する固定格子周期にほぼ等しいピーク放射波長を有する高指向性で狭帯域幅の放射エネルギビームに変換する新規な標的（円形ターゲット状）構造体を含む。関連する（「一致した」）ＰＶセルのＥＱＥ曲線（最適変換スペクトル）にほぼ等しい（又は重複する）固定格子周期を有する標的構造体を含むスペクトル選択的なメタマテリアル放射器を製造することにより、ＴＰＶ変換器は、１４００°Ｋ超の高温の動作温度において２５％又はそれよりも高い効率を達成する。さらに、放射エネルギビームのピーク放射波長が固定格子周期の変更によって容易に変更されることから、スペクトル選択的なメタマテリアル放射器は、異なるＰＶセル種類の最適変換スペクトルに一致するように効率的に「同調可能（ｔｕｎａｂｌｅ）」（調整可能（ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ））である。
【０００７】
本発明の一般化された実施形態によれば、ＴＰＶ変換器は、プレート状（固体）のベース基板の平坦表面上に配設された１つ超の標的構造体を有するスペクトル選択的なメタマテリアル放射器と、標的構造体（複数可）から放射された放射エネルギビームを受光するために固定関係で配設された関連するＰＶセルとを利用する。各標的構造体は、ベース基板の平坦表面から延在し且つ介在円形溝によって分離された複数の同心円状リッジ構造体を含む。ここで、リッジ構造体の各隣接対は、固定格子周期によって分離される。関連するＰＶセルは、その後に抽出のために分離される電子正孔対を生成する方法で「帯域内」光子（すなわち、ＰＶセルの特定の半導体材料組成によって捕捉するのをもたらす所定のエネルギ／波長を有する光子）を捕捉（吸収）することによって光を電気に変換する１つ以上の半導体材料を含む。ＰＶセルに関連する「帯域内」光子は、関連するＰＶセルの組成に一部依存するＰＶセルの最適変換スペクトル（すなわち、ＰＶセルの外部量子効率（ＥＱＥ）曲線によって判定されるような）内のエネルギ／波長を有する光子である。関連するＰＶセルの効率（すなわち、入射光子の全数に対する吸収／変換された光子の比率）は、「帯域内」光子（すなわち、その最適変換スペクトル内のエネルギを有する光子）である入射光子の割合に直接関連している。すなわち、ＰＶセルは、「帯域外」光子（すなわち、最適変換スペクトル外のエネルギを有する光子）よりも高効率で「帯域内」光子を変換する。本発明の態様によれば、標的構造体は、関連するＰＶセルの最適吸収スペクトル内である「帯域内」光子の波長にほぼ等しい固定格子周期を有する標的構造体を製造することにより、関連するＰＶセルのＥＱＥ曲線に「一致」するように構成されている。したがって、メタマテリアル放射器が１０００°Ｋ超の温度まで加熱される場合、標的構造体から放射される放射エネルギビームは、関連するＰＶセルの最適変換スペクトル内のピーク放射波長を有し、それにより、スペクトル選択的なメタマテリアル放射器は、放射エネルギビームを形成する光子の高い割合が関連するＰＶセルによって吸収可能／変換可能であるという意味において関連するＰＶセルに「一致」する。さらに、メタマテリアル放射器が１４００°Ｋ超の温度まで加熱される場合、ＴＰＶ放射器の全体効率は、２５％以上まで増加する。
【０００８】
本発明の実施形態によれば、ＴＰＶ変換器は、０．５ミクロンから３ミクロンの最適変換波長範囲内にある「帯域内」光子を有する低バンドギャップＰＶセルを利用する。そのような低バンドギャップＰＶセルについて帯域内光子の高割合を生成／放射するために、メタマテリアル放射器は、１０ナノメートルから５ミクロンの範囲の固定格子周期を有する標的構造体を含むように製造される。現在好ましい実施形態において、メタマテリアル放射器は、１．０から２．０ミクロンのセル特有の最適変換波長範囲を有する選択された低バンドギャップ（例えば、ＧａＳｂ）ＰＶセルの特定の吸収曲線に一致するために、０．５から３．０ミクロンの範囲（例えば、１．５ミクロン）の格子周期を有する標的構造体によって生成される。ＰＶセルの最適波長範囲を判定し、（すなわち、判定された関連する最適波長範囲内である１つ以上の固定格子周期を有する標的構造体を含む）「一致する」スペクトル選択的なメタマテリアル放射器を製造することにより、本発明は、広範囲のＰＶセル種類を利用した高効率のＴＰＶ変換器の製造を容易とし、それにより、変換効率を犠牲にすることなく（例えば、低コスト又は高性能に基づいて）関連するＰＶセル種類の戦略的選択を容易とする。
【０００９】
本発明の態様によれば、全体的なメタマテリアル熱放射器（すなわち、ベース基板及び標的構造体の双方）は、１つ以上の金属を使用して全体が形成される。この全金属製構造体は、（１つ以上の誘電体が使用されるときに生じ得る）剥離がなく高い最適動作温度（すなわち、１０００から１５００°Ｋ）に耐えるために、また、金属表面は、高指向性で狭帯域の放射エネルギの放射効率を容易とし、所望のピーク放射波長を有するのに必要とされる表面プラズモン（又はなりすまし表面プラズモン）を支持することから重要である。特定の実施形態において、ベース基板及び「標的」構造体の双方は、これらの金属が溶融又は変形することなくより高い動作温度（すなわち、１５００°Ｋに接近する）に耐えることができることから、１つ以上の耐熱性金属（例えば、レニウム、タンタル若しくはタングステン）又は金属合金を使用して全体が形成される。現在好ましい実施形態において、ベース基板及び「標的」構造体は、双方とも、高温に耐えるためのこの金属／合金の能力が高性能ジェット及びロケットエンジンにおけるそれらの使用から周知であることから、レニウム又はレニウム合金を使用して全体が形成される。
【００１０】
本発明の具体的な実施形態によれば、ＴＰＶ変換器のメタマテリアル熱放射器は、関連するＰＶセルによって電気に効果的に変換される帯域内光子の数を増やすために、広いスペクトル帯域幅を有する放射エネルギビームを生成するために、ベース基板のアレイに配設された複数の標的構造体を含むように構成されている。具体的な実施形態において、標的構造体は、そのセットの他の標的構造体の固定格子周期とは異なる隣接する同心円状リッジの間に対応する固定格子周期を有する各セットの各標的構造体を有する２つ以上のセットに配設されている。例示的な実施形態において、関連するＰＶセルは、約１．７２ミクロンのバンドギャップを有する低バンドギャップＰＶセルであり、各セットは、１．３ミクロン、１．５ミクロン及び１．７ミクロンにそれぞれ等しい対応する固定格子周期によって形成される同心円状リッジをそれぞれ有するこれらの標的構造体を含む。各セットの異なる標的構造体は、異なる格子周期によって判定された様々な波長を有する光子の混合を放射し、それにより、関連するＰＶセルによる変換のために帯域内光子の数を増加させる広くされた放射スペクトルを生成する。
【００１１】
他の具体的な実施形態において、ＴＰＶ変換器のメタマテリアル放射器は、多重化（重複）パターンで配置された標的構造体のアレイを含むように構成されている（すなわち、各標的構造体の同心円状リッジ構造体の少なくとも一部が隣接する標的構造体の同心円状リッジ構造体の少なくとも一部に交差することにより、スペクトル帯域幅を増加させるように放射された放射エネルギを集中させるように）。さらに、上述したように、異なる固定格子周期を有するセットにおける標的構造体を配設することにより、メタマテリアル放射器は、使用可能なより広い全体スペクトルを有する高エネルギ放射を生成し、ターゲットＰＶセルによって変換される帯域内光子数を最大化するために、隣接する狭帯域スペクトルを集中して組み合わせることにより、ＰＶセルの出力密度を最大化する。
【００１２】
本発明の例示的な実用的な実施形態によれば、ＴＰＶ変換器のメタマテリアル放射器は、周壁の少なくとも２つの外向きの表面に上述したように配設された１つ以上の標的構造体を有する周壁によって形成された箱状筐体を含み（すなわち、少なくとも２つの放射エネルギビームがメタマテリアル放射器から少なくとも２つの方向（例えば、上方及び下方）に放射されるように）、ＴＰＶ変換器は、さらに、少なくとも２つの放射エネルギビームを受光するように配置された少なくとも２つのＰＶセルを含む。放射器の箱状筐体の周壁は、実質的に矩形の内部空洞を囲み、熱エネルギ（例えば、集光した太陽光）が動作中に空洞内に供給される入口開口と、廃熱が空洞から出るのを可能とする出口開口とを含む。各標的構造体は、放射エネルギビームを受光するように配置された関連するＰＶセルに一致する放射エネルギビームを生成するように構成されている。１つの実施形態において、箱状筐体は、（金属／誘電体構造によって生じ得る）剥離なしで必要な高い動作温度（すなわち、１０００から１５００°Ｋ）を容易とするために、全金属製構造である。具体的な実施形態において、全金属製の箱状筐体は、筐体の動作寿命をさらに向上させるために、耐熱性金属（例えば、レニウム、タンタル又はタングステン）から全体が形成されている。他の具体的な実施形態において、少なくとも１つの標的構造体は、２つの対向する（例えば、上側及び下側）周壁部の外向き表面に配設されており、それにより、メタマテリアル放射器から異なる方向に向いた２つの放射エネルギビームを生成する。この構成は、平坦／平面壁面が標的構造体の費用対効果の高い製造（すなわち、既存のフォトリソグラフィ製造技術の使用）を容易とすることから、最適なエネルギビームの生成を提供し、２つの対向する平坦周壁部の間に画定された矩形状の内部空洞は、（例えば、内部空洞に沿って伝播するときに、集光された太陽光が対向する内面間において反射するのを可能とすることによって）熱エネルギの効率的な輸送を容易とする。
【００１３】
集光された太陽エネルギを赤外線放射に変換するために最適化されたさらに他の具体的な実施形態において、全金属製の箱状筐体は、第１及び第２の放射エネルギビームをそれぞれ受光するように固定的に配置された２つの関連するＰＶセルに対する、各外向き表面に形成された標的構造からそれぞれ放射される第１及び第２の放射エネルギビームにおいて放射される放射エネルギの量を順次最大化する周壁部への熱エネルギの伝達を最大化するように２つの対向する周壁部の間に画定された内部空洞内に太陽エネルギを送るように構成されている。まず、対向する周壁部の対応する前端部にそれぞれ一体的に接続された対応する金属構造体によって複合放物面トラフが形成され、複合放物面トラフは、２つの対向する周壁部の内面の間において反射するように、入口開口を介して内部空洞内に集光された太陽光を導くように動作可能に成形される。さらに、標的構造体へのエネルギ輸送を拡大するように出口開口を介して内部空洞からの廃熱を放出する周壁部の後端部にそれぞれ一体的に接続された対応する金属構造体によって漏斗状の出口が形成される。放射された放射エネルギの量を最大化するために、上述したように、周壁部の外向き表面に複数の多重化された標的構造体がアレイ状に形成されている。熱サイクル応力を最小化し且つメタマテリアル放射器の動作寿命を最大化するために、全金属製の箱状筐体の全体（すなわち、周壁部、複合放物面トラフ構造体並びに漏斗状出口構造体を含む）は、耐熱性金属（例えば、レニウム、タンタル又はタングステン）又は耐熱性金属合金（例えば、レニウム合金）を使用して構成される。
【００１４】
本発明のさらに他の実施形態において、ＴＰＶ変換器は、ＰＶセルによって電気に変換された帯域内光子に関連する最適変換スペクトル（波長範囲）を判定し、パターン化マスクが所定の最適波長にほぼ等しい固定格子周期を有する同心円状レジスト構造体を含むように、フォトリソグラフィによって耐熱性金属基板の平坦表面上にパターン化マスクを生成することによるスペクトル選択可能なメタマテリアル放射器を製造し、マスクを利用して固定格子周期を有する平坦表面上に同心円状耐熱性金属リッジ構造体を形成することによって生成される。代替の実施形態において、同心円状リッジ構造体は、加法プロセス（例えば、ベース基板と同じか又は異なることができる耐熱性金属がスパッタリング又は他の技術によってマスクに形成されたスロットに配設される場合）又は減法プロセス（例えば、ベース基板がマスクスロットを介してドライエッチングされることにより、同心円状リッジ構造体がベース基板と同じ耐熱性金属を含む場合）のいずれかを使用して形成される。多重化された標的構造体を生成するために、所望の多重化構成で配設された同心円状レジスト構造体を有するマスクが形成される。同心円状リッジ構造体を形成した後、マスクは、リッジを分離する介在同心円状溝を露出するように除去され、それにより、ピーク放射波長がＰＶセルの最適変換スペクトルに「一致する」放射エネルギを生成する１つ以上の標的構造体の製造を完成する。スペクトル選択可能なメタマテリアル放射器の製造が完成すると、ＰＶセルは、１つ以上の標的構造体上に固定的に取り付けられ、それにより、ＴＰＶ変換器の生成を完了する。
【００１５】
本発明のこれらの及び他の特徴、態様及び利点は、以下の説明、添付された特許請求の範囲及び添付図面に関してより良好に理解されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施形態にかかる部分的なＴＰＶ変換器を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の第２の実施形態にかかるＴＰＶ変換器を示す斜視図である。
【図３Ａ】図３（Ａ）は、異なる固定格子周期を有する標的構造体を示す図２の切断線３Ａ−３Ａに沿った側断面図である。
【図３Ｂ】図３（Ｂ）は、異なる固定格子周期を有する標的構造体を示す図２の切断線３Ｂ−３Ｂに沿った側断面図である。
【図３Ｃ】図３（Ｃ）は、異なる固定格子周期を有する標的構造体を示す図２の切断線３Ｃ−３Ｃに沿った側断面図である。
【図４】図４は、本発明の第３の実施形態にかかるＴＰＶ変換器を示す斜視図である。
【図５】図５は、本発明の第４の実施形態にかかるＴＰＶ変換器を示す斜視図である。
【図６Ａ】図６（Ａ）は、本発明の第５の実施形態にかかるＴＰＶ変換器を示す斜視図である。
【図６Ｂ】図６（Ｂ）は、本発明の第５の実施形態にかかるＴＰＶ変換器を示す側断面図である。
【図７】図７は、本発明の他の実施形態にかかるＴＰＶ変換器を生成する一般化された方法を示すフロー図である。
【図８Ａ】図８（Ａ）は、図７の方法の具体的な実施形態にかかる標的構造体の製造方法を図示する簡略化された断面図である。
【図８Ｂ】図８（Ｂ）は、図７の方法の具体的な実施形態にかかる標的構造体の製造方法を図示する簡略化された断面図である。
【図８Ｃ】図８（Ｃ）は、図７の方法の具体的な実施形態にかかる標的構造体の製造方法を図示する簡略化された断面図である。
【図８Ｄ】図８（Ｄ）は、図７の方法の具体的な実施形態にかかる標的構造体の製造方法を図示する簡略化された断面図である。
【図８Ｅ】図８（Ｅ）は、図７の方法の具体的な実施形態にかかる標的構造体の製造方法を図示する簡略化された断面図である。
【図８Ｆ】図８（Ｆ）は、図７の方法の具体的な実施形態にかかる標的構造体の製造方法を図示する簡略化された断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、ＴＰＶ（熱電気）変換器の改良に関する。以下の説明は、当業者が特定の用途及びその要件の文脈において提供されるように本発明を作製して使用するのを可能とするために提示される。本願明細書において使用される場合、「上側（ｕｐｐｅｒ）」、「上方（ｕｐｗａｒｄ）」、「下側（ｌｏｗｅｒ）」、「下方（ｄｏｗｎｗａｒｄ）」、「上（ｏｖｅｒ）」、「下（ｕｎｄｅｒ）」、「前（ｆｒｏｎｔ）」及び「後（ｒｅａｒ）」などの方向を示す用語は、説明の目的のために相対的な位置を提供することを目的としており、基準の絶対的なフレームを指定することを目的とするものではない。さらに、表現「一体的に形成された（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ  ｆｏｒｍｅｄ）」及び「一体的に接続された（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ  ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」は、単一の製造又は機械加工された構造の２つの部分間の接続関係を記載するように本願明細書において使用され、例えば、接着剤、ファスナ、クリップ又は可動関節によって接合される２つの別個の構造を示す（修飾語「一体的に（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ）」を有しない）用語「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」又は「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」とは区別される。好ましい実施形態に対する様々な変更は、当業者にとって明らかであり、本願明細書において定義された一般的原理は、他の実施形態に適用することができる。したがって、本発明は、図示及び説明された特定の実施形態に限定されるものではなく、本願明細書に開示された原理及び新規な特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。
【００１８】
図１は、熱エネルギＥＳを高指向性の放射エネルギビームＥＲに変換する簡略化されたスペクトル選択的なメタマテリアル放射器１００と、放射エネルギビームＥＲにおいて伝送された光子を受光するように固定的に配設された関連するＰＶセル２１０とを備える一般化されたＴＰＶ変換器２００を示す斜視上面図である。
【００１９】
スペクトル選択的なメタマテリアル放射器１００は、一般に、ベース基板１１１と、ベース基板１１１に一体的に形成された新規な標的（円形ターゲット状）構造体１２０とを含む。
【００２０】
ベース基板１１１は、標的構造体１２０が一体的に形成される平坦下側（第１の）表面１１２及び対向する平坦上側（第２の）表面１１３を有する固体（壁状）プレートである。動作中において、下側表面１１２は、熱エネルギＥＳのソースに面しており、上側表面１１３は、熱エネルギ源に背を向けている。ベース基板１１１は、好ましくは、金属から全体が構成され、より好ましくは、１つ以上の耐熱性金属（例えば、レニウム、タンタル又はタングステン）又は耐熱性金属合金（例えば、レニウム合金）を使用して全体が構成されている。例示的で実用的な例示的実施形態（例えば、ＴＰＶシステム２００の一部として使用される場合）において、ベース基板１１１は、（後述する）放射された放射エネルギＥＲの波長超のオーダの厚さＴを有するが、この制約外の任意の厚さを有してもよい。
【００２１】
標的構造体１２０は、ベース基板１１１の上側表面１１３上に一体的に形成された（すなわち、エッチング又はミリングなどの減法プロセスによってベース基板１１１と同じ材料から形成された又はベース基板材料に追加された材料を効果的に混合（溶解）するスパッタリングなどの加法プロセスによって形成された）同心円状リッジ構造体１２１−１、１２１−２及び１２１−３を含む。リッジ構造体１２１−１、１２１−２及び１２１−３は、それぞれ、リッジ構造体の各隣接対が固定格子周期（ピッチ間隔）Λによって分離されるように、ベース基板１１１（によってではなく）内に延在する介在円形溝１２２−１、１２２−２及び１２２−３によって分離されている。例えば、リッジ構造体１２１−１及び１２１−２は、リッジ構造体１２１−１の外側端縁とリッジ構造体１２１−２の外側端縁との間の距離が格子周期Λに等しいように、円形溝１２２−１によって分離されている。同様に、リッジ構造体１２１−２及び１２１−３は、リッジ構造体１２１−２の外側端縁とリッジ構造体１２１−３の外側端縁との間の距離がリッジ構造体１２１−１及び１２１−２を分離するのと同じ格子周期Λに等しいように、円形溝１２２−２によって分離されている。リッジ構造体１２１−１から１２１−３は、ベース基板１１１を形成する材料とは異なっていてもよい金属を含むが、好ましくは、リッジ構造体及びベース基板は、双方とも、熱的不整合の問題を回避するために同一の金属材料を含む。
【００２２】
本発明の態様によれば、標的構造体１２０は、熱エネルギＥＳが下側表面１１２に印加され、１０００°Ｋ超の温度までベース基板１１１を加熱するのに十分である場合に、放射エネルギＥＲが固定格子周期Λにほぼ等しい（すなわち、２５％以内の）ピーク放射波長λｐｅａｋを有する上側表面１１３から放射されるように構成されている。
【００２３】
本発明の他の態様によれば、放射された放射エネルギビームＥＲは、高指向性で（すなわち、放射された放射エネルギの９０％は、平坦な外向き表面１１３に対して垂直の０．５°以内である（角度θ））、狭帯域であり（すなわち、放射された放射エネルギの半値における全幅は、ピーク放射波長λｐｅａｋの１０％以内である）、同心円状リッジ構造体の各隣接対を分離する固定格子周期Λにほぼ等しいピーク放射波長λｐｅａｋを有する（すなわち、ピーク放射波長は、格子周期Λの２５％以内である）。したがって、メタマテリアル放射器１００は、同心円状リッジ構造体１２１−１から１２１−３を分離する固定格子周期Λを調整することによって選択的に「同調可能（ｔｕｎａｂｌｅ）」（調整可能（ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ））である。例えば、第１のメタマテリアル放射器は、特定のＰＶセルについてピーク放射波長が非最適な（例えば、低すぎる）放射エネルギを生成するように見出され、より高いピーク波長を生成することによって最適なピーク波長に放射エネルギを効果的に「同調」するために、適切に調整された（例えば、より大きい）固定格子周期を有する第２のメタマテリアル放射器が製造されることができる。
【００２４】
放射器１００は、図１に示される例示的で実用的な実施形態において、ほとんど全ての大きさの格子周期を含むことができるものの（例えば、低バンドギャップのＰＶセル２１０を含むＴＰＶシステム２００の一部として使用される場合）、リッジ構造体は、通常、ほとんどの市販のＰＶセルの吸収曲線に対応する０．５ミクロンから５．０ミクロンの範囲の格子周期Λを有する。特に好ましい実施形態（例えば、ＰＶセル２１０が１．０ミクロンから２．０ミクロンである前記ＰＶセルの最適波長範囲を有するＧａＳｂのＰＶセルの場合）において、放射器１００は、０．５ミクロンから３．０ミクロンの範囲の格子周期Λを有して製造される。
【００２５】
本発明の他の態様によれば、メタマテリアル放射器１００は、関連するターゲットへと帯域内光子（例えば、ターゲットＰＶセルのＥＱＥ曲線内の波長を有する光子）を通過するのみであり且つ帯域外光子がターゲットに到達するのを防止することができる狭帯域フィルタ素子（分光制御素子）として効果的に機能する。このフィルタリング機能は、図１に図示されており、熱エネルギＥＳに関連する光子の広帯域特性は、帯域外光子を示すためにＳパラメータＳ１１を、帯域内光子を示すためにＳパラメータＳ１２を使用して識別される。標的構造体１２０は、ＰＶセル２１０のＥＱＥ曲線に「同調」されることから、メタマテリアル放射器１００は、帯域内光子Ｓ１２をＰＶセル１２０に効果的に「通過」させる。逆に、メタマテリアル放射器１００の全金属製の構造体は、熱エネルギＥＳとＰＶセル２１０との間を効果的に「ブロック」するある種の障壁を形成する（すなわち、帯域外光子Ｓ１２がＰＶセルに到達するのを防止する）。ここで留意すべきは、もしベース基板１１１が固体シートではない場合（すなわち、基板がＳ１１及びＳ１２の双方が通過するのが可能とされる孔を含む場合）には、このフィルタリング機能は可能ではないということである。関連するＰＶセル２１０へと帯域内光子のみを通過させることにより、本発明は、従来のアプローチに対してＴＰＶ変換器２００の効率を大幅に増加させる。
【００２６】
図２は、上述したものと同様にしてベース基板１１１Ａの「ターゲットに面した」表面１１３Ａに形成された複数の標的構造体１２０Ａ−１１から１２０Ａ−１３及び１２０Ａ−２１から１２０Ａ−２３を有するメタマテリアル放射器１００Ａを含むＴＰＶ変換器２００Ａを示す簡略化された斜視図である。図３（Ａ）から図３（Ｃ）は、図２の切断線３Ａ−３Ａ、３Ｂ−３Ｂ及び３Ｃ−３Ｃに沿った断面図である。
【００２７】
メタマテリアル放射器１００Ａは、３つのセットに配置された複数の標的構造体を利用し、各セットの各標的構造体は、メタマテリアル放射器１００Ａによって放射される全放射エネルギビームＥＲ−ＴＯＴＡＬを効果的に広くするために異なる固定格子周期を有することを特徴としている。図２を参照すると、複数の標的構造体は、２つのセット１２０Ａ−１及び１２０Ａ−２に配置されており、各セットは、３つの標的構造体を含む（すなわち、セット１２０Ａ−１は、標的構造体１２０Ａ−１１から１２０Ａ−１３を含み、セット１２０Ａ−２は、標的構造体１２０Ａ−２１から１２０Ａ−２３を含む）。各セット１２０Ａ−１及び１２０Ａ−２は、格子周期Λ１を有する１つの標的構造体と、格子周期Λ２を有する１つの標的構造体と、格子周期Λ３を有する１つの標的構造体とを含む。具体的には、図３（Ａ）に示されているように、セット１２０Ａ−１は、固定格子周期Λ１で離隔された同心円状リッジ構造体を有する構造体１２０Ａ−１１を含む（例えば、隣接する構造体１２１Ａ−１１１と１２１Ａ−１１２との間の距離が格子周期Λ１に等しい）。図３（Ａ）はまた、隣接する構造体１２１Ａ−１１１及び１２１Ａ−１１２によって示されたのと同様の方法で形成された固定格子周期Λ１を有するリッジ構造体を含むセット１２０Ａ−２の標的構造体２１０Ａ−２２を表している。同様に、図３（Ｂ）は、セット１２０Ａ−１の構造体１２０Ａ−１２及びセット１２０Ａ−２の構造体２１０Ａ−２２が、双方とも、格子周期Λ２を有する旨を示しており（例えば、隣接する構造体１２１Ａ−１２１及び１２１Ａ−１２２によって示されるように、格子周期Λ２によって分離される）、図３（Ｃ）は、セット１２０Ａ−１の構造体１２０Ａ−１３及びセット１２０Ａ−２の構造体２１０Ａ−２３が、双方とも、格子周期Λ３を有する旨を示している（例えば、隣接する構造体１２１Ａ−１３１及び１２１Ａ−１３２によって示されるように、格子周期Λ３によって分離される）。
【００２８】
３つの異なる格子周期によってメタマテリアル放射器１００Ａを形成することの利点は、このアプローチがメタマテリアル放射器１００Ａによって関連するＰＶセル２１０Ａに対して放射される全放射エネルギビームＥＲ−ＴＯＴＡＬの全体スペクトルを選択的に広くするために使用可能であるということである。すなわち、特定の標的構造体によって生成された放射エネルギがその固定格子周期に関連していることから、３つの異なる格子周期Λ１、Λ２及びΛ３を利用することにより、広げられた全放射エネルギビームＥＲ−ＴＯＴＡＬが（図２に示される）放射器１００Ａによって生成される。例えば、固定格子周期Λ３が固定格子周期Λ２よりも大きく、固定格子周期Λ２が固定格子周期Λ１よりも大きいと仮定する。図３（Ａ）から図３（Ｃ）に示されるように、これらの異なる格子周期は、異なるピーク放射波長を有するように要素放射エネルギビームを生成する。すなわち、固定格子周期Λ３が固定格子周期Λ２よりも大きいことから、標的構造体１２０Ａ−１３及び１２０Ａ−２３から放射される要素放射エネルギビームＥＲ３は、標的構造体１２０Ａ−１２及び１２０Ａ−２２によって生成される放射エネルギビームＥＲ２のピーク放射波長λｐｅａｋ２よりも大きいピーク放射波長λｐｅａｋ３を有する。同様に、放射エネルギビームＥＲ２のピーク放射波長λｐｅａｋ２は、標的構造体１２０Ａ−１１及び１２０Ａ−２１によって生成される放射エネルギビームＥＲ１のピーク放射波長λｐｅａｋ１よりも大きい。再度図２を参照すると、全放射エネルギビームＥＲ−ＴＯＴＡＬは、要素放射エネルギビームＥＲ１、ＥＲ２及びＥＲ３の組み合わせであり、要素放射エネルギビームＥＲ１、ＥＲ２及びＥＲ３の隣接する狭帯域スペクトルを組み合わせる効果は、全放射エネルギビームＥＲ−ＴＯＴＡＬの全体スペクトルを広くすることである。このアプローチは、例えば、関連するＰＶセル２１０Ａに帯域内光子を提供し、その結果、ＴＰＶ変換器２００ＡのＴＰＶの出力密度を増加させるために使用される。
【００２９】
図２及び図３（Ａ）から図３（Ｃ）を参照して上述したアプローチは、全放射エネルギビームの全体スペクトルを選択的に広げるために、任意数の固定格子周期に拡張可能である。すなわち、本アプローチが３つの異なる格子周期を利用する３つのうちの２つのセットに配設された６つの標的構造体を参照しながら説明されているものの、本アプローチは、２つ以上の標的構造体の任意数のセットに配設された任意数の標的構造体に拡張可能であることが理解される。例えば、メタマテリアル放射器は、比較的狭い放射スペクトル又は２つの別個の「ピーク」放射波長を有するスペクトルの放射を容易とするために２つの格子周期のみを含むことができる。あるいは、多数の格子周期の使用は、比較的広い放射スペクトルの放射を容易とする。全ての標的構造体が固有の固定格子周期を有するメタマテリアル放射器を製造することも可能である（すなわち、２つの標的構造体は、同じ格子周期を有しない）。特に断りのない限り、添付された特許請求の範囲は、異なる格子周期の上記組み合わせの全てを包含することを意図している。
【００３０】
図４は、メタマテリアル放射器１００Ｂ及びＰＶセル２１０Ｂを有するＴＰＶ変換器２００Ｂを示す斜視図であり、メタマテリアル放射器１００Ｂは、上述したものと同様にベース基板１１１Ｂの「ターゲットに面した」表面１１３Ｂに形成された複数の標的構造体を含む。メタマテリアル放射器１００Ｂは、複数の標的構造体が「多重化」（重複）パターンで形成されているという点で（すなわち、標的構造体の円形リッジ構造体の少なくとも一部が少なくとも１つの隣接する標的構造体の円形リッジ構造体の少なくとも一部と交差するように）、前の実施形態とは異なる。例えば、図４の左上隅を参照すると、標的構造体１２０Ｂ−１１は、同心円状リッジ構造体１２１Ｂ−１１の第１のグループを含み、隣接する標的構造体１２０Ｂ−１２は、同心円状リッジ構造体１２１−１２の第２のグループを含む。標的構造体１２０Ｂ−１１及び１２０Ｂ−１２は、標的構造１２０Ｂ−１１の円形リッジ構造体１２１Ｂ−１１の少なくとも一部が標的構造体１２０Ｂ−１２の円形リッジ構造体１２１Ｂ−２１の少なくとも一部と交差（重複）する多重化パターンを形成する。この多重化パターンは、例えば、ＰＶセル２１０Ｂに対してより多くの帯域内光子を提供し、結果としてＴＰＶ変換器２００Ｂの出力密度を増加させるのに使用可能なメタマテリアル放射器１００Ｂによって放射される放射エネルギＥＲ−ＴＯＴＡＬを集光するのに役立つ。
【００３１】
本発明の現在好ましい実施形態によれば、多重化パターンに加えて、メタマテリアル放射器１００Ｂはまた、図２を参照して上述した複数の回折格子周期のアプローチを採用するように（すなわち、少なくとも１つの標的構造体が他の標的構造体の固定格子周期とは異なる（例えば、より大きい）固定格子周期を有するように）製造される。一例として、メタマテリアル放射器１００Ｂの様々な多重化された標的構造体は、以下の３つのセットに配置されているように示されている：標的構造体１２０Ｂ−１１、１２０Ｂ−１２及び１２０Ｂ−１３を含む第１のセット１２０Ｂ−１、標的構造体１２０Ｂ−２１、１２０Ｂ−２２及び１２０Ｂ−２３を含む第２のセット１２０Ｂ−２、及び、標的構造体１２０Ｂ−３１、１２０Ｂ−３２及び１２０Ｂ−３３を含む第３のセット１２０Ｂ−３。各セットは、共通の第１の格子周期を有する１つの標的構造体（すなわち、標的構造体１２０Ｂ−１１、１２０Ｂ−２１及び１２０Ｂ−３１は、図３（Ａ）を参照して上述した方法で同じ格子周期を使用して製造される）と、第２の格子周期を有する１つの標的構造体（すなわち、標的構造体１２０Ｂ−１２、１２０Ｂ−２２及び１２０Ｂ−３２は、図３（Ｂ）を参照して上述した方法で製造される）と、第３の格子周期を有する１つの標的構造体（すなわち、標的構造体１２０Ｂ−１３、１２０Ｂ−２３及び１２０Ｂ−３３は、図３（Ｂ）を参照して上述した方法で製造される）とを含む。この構造により、メタマテリアル放射器１００Ｂは、例えば、ＰＶセル２１０Ｂに供給される帯域内光子数を最大化することによってＰＶセル２１０Ｂの出力密度を最大化するより広い全体スペクトルを有する高エネルギ放射を生成するために、隣接する狭帯域スペクトルを集光して組み合わせた全放射エネルギＥＲ−ＴＯＴＡＬを生成する。
【００３２】
図５は、メタマテリアル放射器１００Ｃ及び２つのＰＶセル２１０Ｃ−１及び２１０Ｃ−２を含むＴＰＶ変換器２００Ｃを示す斜視図である。この実施形態において、ＴＰＶ変換器２００Ｃの「ベース基板」は、最適な高い動作温度（すなわち、１０００°Ｋから１５００°Ｋ）を達成するのを容易とする箱状筐体１１０Ｃの一部として形成されている。箱状筐体１１０Ｃは、実質的に矩形の内部空洞１１４Ｃが壁部１１１Ｃ−１と１１１Ｃ−２との間に画定されるように、対向して離間された（すなわち、平行な）関係の各側壁部によって接続された上側（第１の）周壁部１１１Ｃ−１及び下側（第２の）周壁部１１１Ｃ−２を有する周壁部１１１Ｃを含む。周壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２は、それぞれ、内部空洞１１４Ｃに面した内向き表面部１１２Ｃ−１及び１１２Ｃ−２と、内部キャビティ１１４Ｃに背を向けた外向き表面１１３Ｃ−１及び１１３Ｃ−２（すなわち、箱状筐体１１０Ｃからそれぞれ上方及び下方）とを含む。周壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２は、入口開口１１５Ｃが周壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２の各前端部１１１Ｃ−１Ｆ及び１１１Ｃ−２Ｆの間に画定され、出口開口１１６Ｃが周壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２の各後端部１１１Ｃ−１Ｒ及び１１１Ｃ−２Ｒの間に画定されるように、箱状筐体１１０Ｃの入口端部１１０Ｃ−１と出口端部１１０Ｃ−２との間に延在している。動作中において、「ソース」熱エネルギＥＳは、入口開口１１５Ｃを介して内部空洞１１４Ｃ内に供給され、「廃」熱エネルギは、出口開口１１６Ｃを介して排気される。
【００３３】
メタマテリアル放射器１００Ｃは、外向き表面１１３Ｃ−１及び１１３Ｃ−２上にそれぞれ配設された、上述したように形成された２つの標的構造体１２０Ｃ−１及び１２０Ｃ−２を含む。具体的には、標的構造体１２０Ｃ−１は、上側部周壁部１１１Ｃ−１の上向き表面１１３Ｃ−１上に配設されており、介在円形溝１２２Ｃ−１によって分離され且つ固定格子周期Λ１によって分離された同心円状リッジ構造体１２１Ｃ−１を含み、標的構造体１２０Ｃ−２は、下側部周壁部１１１Ｃ−２の下向き表面１１３Ｃ−２上に配設されており、介在円形溝１２２Ｃ−２によって分離され且つ固定格子周期Λ２によって分離された同心円状リッジ構造体１２１Ｃ−２を含む。１つの具体的な実施形態において、ＰＶセル２１０Ｃ−１及び２１０Ｃ−２は、本質的に、同一であり（すなわち、同じスペクトル応答を有する）、そのため、固定格子周期Λ２は、固定格子周期Λ１と同じである。代替の実施形態において、ＰＶセル２１０Ｃ−１及び２１０Ｃ−２は、異なるスペクトル応答を有し、そのため、固定格子周期Λ２は、固定格子周期Λ１とは異なる（例えば、より大きいか又はより小さい）。この構成により、熱エネルギＥＳが内部空洞１１４Ｃに供給され、１０００°Ｋ超の温度まで周壁１１１Ｃを加熱するのに十分である場合に、放射エネルギＥＲ１は、ＰＶセル２１０Ｃ−１によって電気に変換するために固定格子周期Λ１にほぼ等しいピーク放射波長を有する箱状筐体１１０Ｃから上方に放出される。これと同時に、熱エネルギＥＳは、標的構造体１２０Ｃ−２に、放射エネルギＥＲ２を箱状筐体１１０ＣからＰＶセル２１０Ｃ−２へと下方に放射させる。ここで、放射エネルギＥＲ２は、固定格子周期Λ２にほぼ等しいピーク放射波長を有する。
【００３４】
メタマテリアル放射器１００Ｃの箱状筐体の構成は、平坦／平面周壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２が（例えば、既存のフォトリソグラフィ製造技術を使用して）標的構造体の費用対効果の高い製造を容易とすることから、また、矩形状の内部空洞１１４Ｃが周壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２によって形成された「ベース基板」上に熱エネルギの効率的な輸送を容易とすることから、最適なエネルギビーム生成を提供する。１つの実施形態において、矩形箱状の構成は、対向する上側及び下側内面１１２Ｃ−１及び１１２Ｃ−２の間において反射する集光された太陽光の形態で熱エネルギの輸送を容易とし、それにより、周壁部１１１Ｃ−１及び１１１Ｃ−２を加熱し、関連する廃熱が出口開口１１６Ｃを介して内部空洞１１４Ｃから除去されるのを可能とする。さらに、（上述した一般化された実施形態におけるように）ただ１つの代わりに２つのＰＶセル２１０Ｃ−１及び２１０Ｃ−２によって電気が生成されることから、この構成は、ＴＰＶ変換器２００Ｃが単一のＰＶセルアプローチに対して増加した発電を提供するのを可能とする。さらに他の実施形態（図示しない）において、このアプローチの要点は、発電を潜在的にさらに増加させるために追加の標的構造体及び（例えば、箱状筐体１１０Ｃの側に沿って又は非矩形状の箱状筐体の複数の表面に沿って配設された）追加のＰＶセルを使用するようにさらに拡張される。
【００３５】
本発明の態様によれば、箱状筐体１１０Ｃは、全金属製の構造体として構成されている（例えば、単一の金属ブロックから、又は、溶接することによって若しくは４つの金属板をともに固定することによって構成されている）。全金属製の構造体は、メタマテリアル放射器１００Ｃの適切な動作寿命にわたって必要な高い動作温度（すなわち、１０００から１５００°Ｋ）を達成するのを容易とする。特定の実施形態において、全金属製の箱状筐体１１０Ｃは、筐体の動作寿命をさらに向上させるために、１つ以上の耐熱性金属（例えば、レニウム、タンタル又はタングステン）又は耐熱性金属合金を使用して全体が形成される。
【００３６】
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、メタマテリアル放射器１００Ｄ及び他の実施形態にしたがって配置された２つのＰＶセル２１０Ｄ−１及び２１０Ｄ−２を含むＴＰＶ変換器２００Ｄを示す斜視図及び側断面図である。この実施形態において、メタマテリアル放射器１００Ｄは、ソーラータワー電力回収システムにおいて使用するために構成された全金属製の箱状筐体１１０Ｄを含む。
【００３７】
メタマテリアル放射器１００Ｄは、標的構造体のアレイ１２０Ｄ−１及び１２０Ｄ−２が壁部１１１Ｄ−１及び１１１Ｄ−２の外向き表面１１３Ｄ−１及び１１３Ｄ−２上にそれぞれ形成されるように、箱状筐体１１０Ｄが対向して離間された（例えば、平行な）関係で各側壁部によって接続された対向する上側（第１の）及び下側（第２の）周壁部１１１Ｄ−１及び１１１Ｄ−２を含む点で、図５を参照して上述したものと同様である。標的構造体アレイ１２０Ｄ−１及び１２０Ｄ−２は、上述した様々な構成のいずれかを使用して実装されるが、好ましくは、放射された放射エネルギビームＥＲ１及びＥＲ２において伝送されるエネルギの量を最大化するために図４に示されるような多重化された構成を含む。
【００３８】
メタマテリアル放射器１００Ｄは、箱状筐体１１０Ｄの入口端部に配設された複合放物面トラフ１１７Ｄを含む点で、先の実施形態とは異なる。図６（Ｂ）に示されるように、複合放物面トラフは、上側周壁部１１１Ｄ−１の前端部１１１Ｄ−１Ｆに一体的に接続された上側（第１の）複合放物面トラフ構造体１１７Ｄ−１と、下側周壁部１１１Ｄ−２の前端部１１１Ｄ−２Ｆに一体的に接続された下側（第２の）複合放物面トラフ構造体１１７Ｄ−２とを含む。図６（Ｂ）における破線矢印によって示されるように、複合放物面トラフ構造体１１７Ｄ−１及び１１７Ｄ−２は、標的構造体アレイ１２０Ｄ−１及び１２０Ｄ−２からＰＶセル２１０Ｄ−１及び２１０Ｄ−２へとそれぞれ放射されるビームＥＲ１及びＥＲ２において放射される放射エネルギの量を順次最大化する、標的構造体アレイ１２０Ｄ−１及び１２０Ｄ−２への熱エネルギの輸送を最大化する方法で周壁部１１１Ｄ−１及び１１１Ｄ−２の内面１１２Ｄ−２１２及び１１２Ｄ−２２２の間の太陽光が反射するように、入口開口１１５Ｄを介して周壁部１１１Ｄ−１及び１１１Ｄ−２の間の内部空洞１１４Ｄ内に集光された太陽光ＥＳを導くように動作可能に成形される。
【００３９】
メタマテリアル放射器１００Ｄはまた、内部空洞１１４Ｄからの「廃」熱の放出を制御するのに役立つ箱状筐体１１０Ｄの出口端部に配設された漏斗状の出口１１７Ｄを含む点で、先の実施形態とは異なる。図６（Ｂ）に示されるように、漏斗状の出口は、上側周壁部１１１Ｄ−１の後端部１１１Ｄ−１Ｒに一体的に接続された上側（第１の）漏斗状の出口構造１１８Ｄ−１と、下側周壁部１１１Ｄ−２の後端部１１１Ｄ−２Ｒに一体的に接続された下側（第２の）漏斗状の出口構造１１８Ｄ−２とを含む。図６（Ｂ）における破線矢印によって示されるように、漏斗状の出口構造１１８Ｄ−１及び１１８Ｄ−２は、標的構造体アレイ１２０Ｄ−１及び１２０Ｄ−２へのエネルギ輸送を最適化する速度で出口開口１１６Ｄを介した内部空洞１１４Ｄからの「廃」熱エネルギＥＷを導くように動作可能に成形されている。
【００４０】
上記のものと同様の理由で（例えば、熱サイクル応力を最小化するとともに動作寿命を最大化するために）、全金属製の箱状筐体１１０Ｄの全体（すなわち、周壁部１１１Ｄ−１及び１１１Ｄ−２、複合放物面トラフ構造体１１７Ｄ−１及び１１７Ｄ−２並びに漏斗状の出口構造１１８Ｄ−１及び１１８Ｄ−２を含む）は、金属を使用して、より好ましくは単一の耐熱性金属（例えば、レニウム、レニウム合金、タンタル又はタングステン）を使用して構成される。
【００４１】
図７は、本発明の他の実施形態にかかる一般化されたＴＰＶ変換器の製造方法を示すフロー図である。製造方法は、図１から図６（Ｂ）を参照して記載された、すなわち、１つ以上の標的構造体及び関連するＰＶセルを有するスペクトル選択的なメタマテリアル放射器を含むＴＰＶ変換器のいずれにも適用される。
【００４２】
図７の上部（ブロック４０１）を参照すると、製造方法は、関連するＰＶセルの（例えば、先に生成されたＥＱＥ曲線又はスルー検査から）最適変換スペクトルを判定することによって開始する。上述したように、最適変換スペクトルは、関連するＰＶセルによって最も効率的に電気に変換される「帯域内」光子波長を識別し、ＰＶセル種類によって変化する。
【００４３】
ブロック４０２（図７）に示されるように、次に、製造プロセスは、ＰＶセルの最適変換スペクトルにほぼ等しい固定格子周期によって分離された同心円状リッジ構造体を有する標的構造体を有するスペクトル選択的なメタマテリアル放射器を製造することを含む。例示的な実施形態において、製造プロセスのこの部分は、フォトリソグラフィックプロセス技術を使用したスペクトル選択的なメタマテリアル放射器の製造を図示する図８（Ａ）から図８（Ｆ）を参照して記載されるように実行される。
【００４４】
図８（Ａ）から図８（Ｄ）は、図８（Ａ）に示される固体ベース基板１１１の平坦上側表面１１３上にパターン化マスクを生成するためのフォトリソグラフィの使用を図示している。好ましい実施形態によれば、ベース基板１１１は、上述した耐熱性金属（又はその合金）の１つを含む。図８（Ｂ）は、ベース基板１１１の上側表面１１３上にフォトレジスト層４１５を形成するフォトレジスト４１０の蒸着を示している。図８（Ｃ）は、公知の技術を使用してフォトレジスト層４１５を露出するためのレチクル４２０の後の使用を示しているが、レチクルが所望の標的構造体の「負」に対応するパターン形状の「ミラー」を有する開口パターンを含み（すなわち、１０ナノメートルから５ミクロンの範囲の格子周期に設定された同心円状開口４２２を含む）、それにより、開口４２２を通過した光４２５がフォトレジスト層４１５の対応する同心円状部分を現像する点で変更されている。図８（Ｄ）は、（すなわち、適切なエッチング液４２９を使用した）未現像のフォトレジストのその後の除去を示しており、それにより、０．５から５ミクロンの範囲の固定格子周期Λを有する複数の同心円状レジスト構造体４３１を含むフォトレジストマスク４３０を完成し、同心円状レジスト構造体４３１の各隣接対は、介在同心円状スロット４３２を使用して分離される。
【００４５】
図８（Ｅ）は、本発明の特定の「追加」実施形態にかかる上側表面１１３に標的構造体を形成するためのマスク４３０の利用を示している。この場合、（ベース基板１１１を形成するのと同じ耐熱性金属又は異なる耐熱性点金属とすることができる）耐熱性金属４４０は、マスク４３０上に（例えば、スパッタ蒸着によって）蒸着され、同心円状レジスト構造体４３１の間に露出される上側表面１１３の部分を露出させ、それにより、レジスト構造体４３１の隣接対間に固定格子周期Λを有するリッジ構造体１２１を形成する。代替の「減法」実施形態（図示されてない）において、マスク４３０は、マスクスロットを介してベース基板の露出部分をドライエッチングすることによって標的構造体を形成し、それにより、ベース基板のものと同一の組成を有する対応する円形リッジ構造体１２１−２の間に同心溝を形成するために利用される。
【００４６】
図８（Ｆ）は、適切なエッチング液４５０とマスク４３０を使用した平坦上側表面１１３からのフォトレジストマスクのその後の除去を示しており、それにより、ベース基板１１１上に配設された標的構造体１２０を含むメタマテリアル放射器１００の製造を完成し、標的構造体１２０は、介在円形溝１２２によって分離され且つ０．５から５ミクロンの範囲の格子周期Λで離隔された同心円状リッジ構造体１２１−２を含む。
【００４７】
図７を参照すると、図８（Ａ）から図８（Ｆ）を参照して記載された標的構造体製造プロセスが完了すると、メタマテリアル放射器の最終構成が完成し、（ブロック４０３において示されるように）ＰＶセル（又は複数のＰＶセル）は、標的構造体によって生成された放射エネルギが電気への変換のためにＰＶセル（複数可）上に向けられるように、メタマテリアル放射器に対して固定関係で動作可能に固定される。メタマテリアル放射器の最終構成は、例えば、上述したものと同様に標的構造体が箱状筐体内に形成される金属プレート（ベース基板）を接続することを含む。ＰＶセルを固定することは、例えば、ＰＶセルを箱状筐体に直接取り付けること、メタマテリアル放射器に隣接して又はＰＶセルの熱損傷を最小化するメタマテリアル放射器から適切な距離で配設された水冷プラットフォーム上にＰＶセルを取り付けることを含むことができる。
【００４８】
図８（Ａ）から図８（Ｆ）を参照して上述した製造方法は、単一の標的構造体を有するメタマテリアル放射器の形成を示しているものの、本方法は、図３及び図４に示された標的構造体セットなどの複数の標的構造体を生成するために公知の技術を使用して拡張可能であることが理解されるであろう。図４に示された多重化された標的構造体の場合、多重化構成を有する開口を形成するために同心円状パターンが重複して繰り返されてレチクルが生成され、レチクルは、多重化構成で配設された同心円状レジスト構造体を含むパターン化マスクを生成するために使用され、多重化構成における複数の重複する同心円状金属リッジ構造体を形成するために上述したプロセスを使用する。
【００４９】
本発明は、所定の実施形態に関して説明されたが、その全てが本発明の範囲内にあることが意図されている本発明の発明的特徴が他の実施形態に同様に適用可能であることは当業者には明らかであろう。例えば、本願明細書に記載されたＴＰＶ変換器は、動作寿命を最大化するために全金属製構造を有するメタマテリアル放射器を含むが、（例えば、誘電体ベース基板又は全半導体プラットフォームに形成された金属標的構造体を有する）ロバスト性がより低いメタマテリアル放射器を利用するＴＰＶ変換器もまた使用されることができる。
【図１】
2015154714.tif 000003
【図２】
2015154714.tif 000004
【図３Ａ】
2015154714.tif 000005
【図３Ｂ】
2015154714.tif 000006
【図３Ｃ】
2015154714.tif 000007
【図４】
2015154714.tif 000008
【図５】
2015154714.tif 000009
【図６Ａ】
2015154714.tif 000010
【図６Ｂ】
2015154714.tif 000011
【図７】
2015154714.tif 000012
【図８Ａ】
2015154714.tif 000013
【図８Ｂ】
2015154714.tif 000014
【図８Ｃ】
2015154714.tif 000015
【図８Ｄ】
2015154714.tif 000016
【図８Ｅ】
2015154714.tif 000017
【図８Ｆ】
2015154714.tif 000018