(57)【要約】【課題】発電効率が高い輻射体及び熱光発電システムを提供すること。【解決手段】熱光発電システム（１）用の輻射体（３）であって、前記輻射体（３）の表面の少なくとも一部（７）に複数の凹部（９）を備え、前記輻射体（３）の表面のうち、前記凹部（９）間の部分Ａ（１１）における輻射率は、前記凹部（９）の内面のうち、前記凹部（９）の開口部（９Ａ）からの距離が所定値以上である部分Ｂにおける輻射率より低いことを特徴とする輻射体（３）。前記部分Ａ（１１）には、例えば、金属層（１３）、又は誘電体多層膜（１５）を設けることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱光発電システム用の輻射体であって、
前記輻射体の表面の少なくとも一部に複数の凹部を備え、
前記輻射体の表面のうち、前記凹部間の部分Ａにおける輻射率は、前記凹部の内面のうち、前記凹部の開口部からの距離が所定値以上である部分Ｂにおける輻射率より低いことを特徴とする輻射体。
【請求項２】
前記部分Ａには、金属層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の輻射体。
【請求項３】
前記部分Ａには、誘電体多層膜が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の輻射体。
【請求項４】
前記部分Ｂには、前記内面を被覆する被覆層が設けられており、その被覆層における輻射率は、前記被覆層よりも奥側の物質における輻射率より高いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の輻射体。
【請求項５】
前記被覆層は、カーボンブラック、又は金ブラックから成ることを特徴とする請求項４に記載の輻射体。
【請求項６】
前記凹部の内面のうち、前記距離が前記所定値以下である部分Ｃにおける輻射率が、前記部分Ｂにおける輻射率より低いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の輻射体。
【請求項７】
前記部分Ｃには、金属層が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の輻射体。
【請求項８】
前記部分Ｃには、誘電体多層膜が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の輻射体。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の輻射体と、
前記複数の凹部に対向する位置に設けられた光電変換素子と、
を備えることを特徴とする熱光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、輻射体及び熱光発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、輻射体（あるいは発光体）及び光電変換素子を備えた熱光発電システムが注目されている。熱光発電システムでは、何らかの手段で輻射体を加熱し、加熱された輻射体から輻射される輻射光を光電変換素子により電気エネルギーに変換する（特許文献１参照）。
【０００３】
従来の輻射体が輻射する輻射光は幅広い波長分布を有するが、光電変換素子は、半導体バンドギャップに対応する吸収端波長（例えば、Ｓｉでは１．１μｍ、ＧａＳｂでは１．７２μｍ、ＩｎＡｓでは３．４４μｍ）より短波長の光しか電気エネルギーに変換できない。そのため、輻射体が輻射する輻射光の多くが電気エネルギーに変換されず、無駄となっていた。
【０００４】
そこで、輻射体の表面に微細構造を設けることで、輻射体が輻射する輻射光の波長を狭帯域化し、熱光発電システムの発電効率を向上させることが提案されている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１３８１５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】伝熱vol.50,No.210pp31-36(2011)
【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、非特許文献１記載の技術を用いても、熱光発電システムの発電効率を充分に向上させることは困難であった。本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、発電効率が高い輻射体及び熱光発電システム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】
【０００８】
本発明の輻射体は、熱光発電システム用の輻射体であって、輻射体の表面の少なくとも一部に複数の凹部を備え、輻射体の表面のうち、凹部間の部分Ａにおける輻射率は、凹部の内面のうち、凹部の開口部からの距離が所定値（０であってもよいし、０より大きい値であってもよい）以上である部分Ｂにおける輻射率より低いことを特徴とする。
【０００９】
本発明の輻射体は、複数の凹部を備えている。複数の凹部が輻射する輻射光の波長は、複数の凹部の形状により決まる共鳴波長付近の波長に狭帯域化される。
また、凹部間の部分Ａにおける輻射率は、凹部の内面にある部分Ｂの輻射率より低いため、輻射体が輻射する輻射光の全エネルギーのうち、凹部の内面が輻射する輻射光のエネルギーの比率が高くなる。
【００１０】
その結果、輻射体が輻射する輻射光の全エネルギーのうち、共鳴波長付近の波長を有する光のエネルギーの比率が高くなる。よって、共鳴波長を光電変換素子の吸収端波長に近づければ、輻射体が輻射する輻射光の全エネルギーのうち、光電変換素子で変換可能な波長の光のエネルギーの比率が高まり、熱光発電システムの発電効率が向上する。前記部分Ａには、例えば、金属層、誘電体多層膜等を設けることができる。
【００１１】
また、前記部分Ｂには、例えば、凹部の内面を被覆する被覆層を設けることができる。その被覆層における輻射率は、被覆層よりも奥側（被覆層の膜厚方向における奥側）の物質における輻射率より高いことが好ましい。この場合、凹部から輻射される輻射光の強度が一層増大する。そのことにより、輻射体が輻射する輻射光の全エネルギーのうち、複数の凹部から輻射される光（共鳴波長付近の波長を有する光）のエネルギーの比率を一層高くすることができる。その結果、熱光発電システムの発電効率を一層向上させることができる。被覆層は、例えば、カーボンブラック、又は金ブラックから成る層とすることができる。
【００１２】
凹部の内面のうち、前記距離が前記所定値以下である部分Ｃにおける輻射率を、例えば、前記部分Ｂにおける輻射率より低くすることができる。この場合、凹部の内面のうち、開口部に近い部分に、輻射率が低い部分Ｃを備えることになる。開口部に近い部分Ｃは、波長が狭帯域化されていな輻射光を輻射しやすい場所であるが、その部分の輻射率を低くすることで、共鳴波長から遠い波長の輻射光を抑制することができる。
【００１３】
そのことにより、輻射体が輻射する輻射光の全エネルギーのうち、共鳴波長付近の波長を有する光のエネルギーの比率を高くすることができ、その結果、熱光発電システムの発電効率を一層向上させることができる。前記部分Ｃには、例えば、金属層、又は誘電体多層膜を設けることができる。
【００１４】
本発明の熱光発電システムは、上述した輻射体と、複数の凹部に対向する位置に設けられた光電変換素子とを備えることを特徴とする。本発明の熱光発電システムは、発電効率が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】熱光発電システム１の構成を表す説明図である。
【図２】輻射面７の構成を表す斜視図である。
【図３】輻射面７の構成を表す平面図である。
【図４】図３におけるＩＶ−ＩＶ断面での断面図である。
【図５】各材料の輻射率と融点とを表す説明図である。
【図６】輻射体３、及び輻射体Ｒ１について、光の波長と輻射率との関係を表すグラフである。
【図７】光電変換素子５の波長と外部量子効率との関係を表すグラフである。
【図８】誘電体多層膜１５の構成を表す説明図である。
【図９】誘電体多層膜１５の波長−反射率特性を表すグラフである。
【図１０】輻射体３の構成を表す断面図である。
【図１１】輻射体３の構成を表す断面図である。
【図１２】別形態の輻射体３の形状を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態を図面に基き説明する。
<第１の実施形態＞
１．熱光発電システム１及び輻射体３の構成
熱光発電システム１及び輻射体３の構成を図１〜図５、図７に基き説明する。熱光発電システム１は、図１に示すように、輻射体３と、光電変換素子５とを備える。輻射体３は、燃焼ガスの噴射等により加熱され、輻射光を輻射する。光電変換素子５は、市販のＧａＳｂ素子であり、図７に示すように、１．７２μｍの波長に吸収端を持つ。
【００１７】
輻射体３は矩形の板状部材であり、後述する金層１３を除き、ニッケルから成る。輻射体３の表面のうち、光電変換素子５に対向する面を、輻射面７とする。輻射面７には、図２〜図４に示すように、複数の凹部９が設けられている。この複数の凹部９は、輻射面７の全面にわたって分布している。また、複数の凹部９は、図２、図３に示すように、一定の間隔をおいて規則正しく配列している。なお、輻射体３のうち、輻射面７以外の面は平坦である。
【００１８】
凹部９は、輻射面７に直交する方向から見たとき、図３に示すように、正方形の形状を有する。この正方形（凹部９）の縦方向長さＬｘ、及び横方向長さＬｙは、ともに１．１μｍである。また、Ｌｘ、Ｌｙの値は、凹部９の深さ方向におけるどの位置でも一定である。
【００１９】
輻射面７には、凹部９以外の平坦な部分（凹部９と凹部９との間にある平坦な部分）１１が存在する。凹部９の入口において、部分１１と同一平面に属する面を開口部９Ａとする（図４参照）。この開口部９Ａから、凹部９の底３Ｂまでの、凹部９の軸方向に沿った長さを凹部９の深さｈとする。ｈの値は３μｍである。
【００２０】
部分１１は、金から成る金層１３により覆われている。金層１３の膜厚は０．３μｍである。図５に示すように、金の輻射率はニッケルの輻射率に比べて顕著に低いので、金層１３で覆われた部分１１における輻射率は、凹部９の内面（ニッケルから成る面）の輻射率に比べて顕著に低い。
【００２１】
なお、部分１１は部分Ａの一実施形態であり、凹部９の内面全体（すなわち、凹部９の内面のうち、開口部９Ａからの距離が０以上である部分）が部分Ｂの一実施形態であり、金層１３は金属層の一実施形態である。
【００２２】
２．輻射体３の製造方法
ニッケル母材（凹部９が形成されていない、各面が平坦なニッケルの板状部材）の片面（後に輻射面７となる面）に、スパッタ法により、金層１３を形成した。次に、金層１３を形成した面にレジストをスピンコートし、光学露光により、凹部９を形成すべき領域のパターンを形成した。次に、ドライエッチング法で深さ３μｍのエッチングを行い、凹部９を形成した。最後に、レジストを剥離して、輻射体３を完成した。
【００２３】
なお、金層１３の形成には、イオンプレーティング法、又は真空蒸着法を用いてもよい。また、レジストにパターンを形成するために、電子ビーム描画を用いてもよい。
３．熱光発電システム１及び輻射体３が奏する効果
輻射体３は、輻射面７に複数の凹部９を備えている。複数の凹部９が輻射する輻射光の波長は、非特許文献１に開示されているように、複数の凹部９の形状により決まる共鳴波長付近の波長に狭帯域化される。
【００２４】
この共鳴波長は、下記の数式１において、Ｌｘ、Ｌｙにそれぞれ１．１を代入し、ｈに３を代入して算出され、その値は１．５４μｍである。すなわち、複数の凹部９が輻射する輻射光の波長は、１．５４μｍ付近の波長に狭帯域化される。なお、数式１におけるｎｘ、ｎｙ、ｎｚはそれぞれモードナンバーであり、ｎｘ、ｎｙの値は、０、１、２、３・・・であり、ｎｚの値は１、３、５・・・である。
【００２５】
【数１】
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さらに、上述したとおり、輻射面７のうち、部分１１における輻射率は、凹部９の内面における輻射率より顕著に低いため、輻射面７が輻射する輻射光の全エネルギーのうち、凹部９が輻射する輻射光のエネルギーの比率が高くなる。
【００２６】
その結果、輻射面７が輻射する輻射光の全エネルギーのうち、共鳴波長（１．５４μｍ）付近の波長を有する光のエネルギーの比率が高くなる。
図６に、このことを裏付ける実験データを示す。図６は横軸を輻射光の波長とし、縦軸を輻射面７全体の輻射率とするグラフである。図６においてＸ１は、本実施例の輻射体３の測定結果である。また、Ｘ２は、輻射体３と基本的には同様の構成を有するが、金層１３が設けられていない（部分１１においてニッケルが露出している）輻射体（以下、輻射体Ｒ１とする）の測定結果である。
【００２７】
輻射体３、輻射体Ｒ１は、ともに、複数の凹部９を備えているため、輻射する輻射光の波長は、１．５４μｍ付近の波長に狭帯域化されている。ただし、輻射体３は、部分１１に、輻射率が小さい金層１３を有することにより、輻射体Ｒ１に比べて、共鳴波長から離れた波長における輻射率が顕著に小さくなり、輻射面７が輻射する輻射光の全エネルギーのうち、共鳴波長付近の波長を有する光のエネルギーの比率が高くなっている。
【００２８】
以上のように、輻射体３では、輻射面７が輻射する輻射光のエネルギーのうち、共鳴波長（１．５４μｍ）付近の波長を有する光のエネルギーの比率が高くなる。光電変換素子５は、共鳴波長に近い吸収端を持ち、共鳴波長付近の波長の光を効率よく電気に変換できる。よって、輻射体３を用いれば、高い発電効率を得ることができる。
＜第２の実施形態＞
１．熱光発電システム１及び輻射体３の構成
本実施形態の熱光発電システム１及び輻射体３の構成は、基本的には前記第１の実施形態と同様である。ただし、本実施形態では、図８に示すように、部分１１が、金層１３ではなく、誘電体多層膜１５により覆われている。誘電体多層膜１５は、第１の層１７、第２の層１９、第３の層２１、第４の層２３、第５の層２５、第６の層２７、第７の層２９、及び第８の層３１を順次積層した多層膜である。
【００２９】
第１の層１７、第３の層２１、第５の層２５、及び第７の層２９は、それぞれ、膜厚２０７ｎｍのＴｉＯ２の層である。また、第２の層１９、第４の層２３、第６の層２７、及び第８の層３１は、それぞれ、ＳｉＯ２の層である。第２の層１９、第４の層２３、及び第６の層２７の膜厚は、それぞれ３４５ｎｍであり、第８の層３１の膜厚は１７３ｎｍである。誘電体多層膜１５は、スパッタ法、イオンプレーティング法、又は真空蒸着法により形成できる。
【００３０】
２．熱光発電システム１及び輻射体３が奏する効果
誘電体多層膜１５については、図９に示す、光の波長と反射率との関係が成立する。この図９に示されているように、誘電体多層膜１５は、複数の凹部９の共鳴波長（１．５４μｍ）に近い波長の光に対しては反射率が低いが、共鳴波長から遠い波長の光に対しては反射率が高い。
【００３１】
ところで、キルヒホッフの法則により、透過率が無視できるほど小さい場合、反射率が高いほど、輻射率は低くなる。そのため、誘電体多層膜１５は、共鳴波長に近い波長の光に対しては輻射率が高いが、共鳴波長から遠い波長の光に対しては輻射率が低い（バンドパスフィルタとして機能する）。
【００３２】
輻射体３は、上記の特性を有する誘電体多層膜１５を部分１１に備えることで、部分１１における共鳴波長から遠い波長の光の輻射を抑制し、輻射面７が輻射する輻射光の全エネルギーのうち、共鳴波長付近の波長を有する光のエネルギーの比率を高くすることができる。その結果、本実施形態の輻射体３を用いた熱光発電システム１は、高い発電効率を得ることができる。
【００３３】
また、本実施形態の輻射体３は、金層１３よりも融点が高い誘電体多層膜１５を備えているので、耐熱性が一層高い。
＜第３の実施形態＞
１．熱光発電システム１及び輻射体３の構成
本実施形態の熱光発電システム１及び輻射体３の構成は、基本的には前記第１の実施形態と同様である。ただし、本実施形態では、図１０に示すように、凹部９の内面に、その内面全体を覆う被覆層３３が設けられている。被覆層３３はカーボンブラックから成る層である。被覆層３３の輻射率は０．９５であり、被覆層３３よりも奥側（被覆層３３の膜厚方向における奥側）にあるニッケルの輻射率である０．８５（図５参照）よりも高い。被覆層３３は、スプレー塗布の方法で形成できる。
【００３４】
２．熱光発電システム１及び輻射体３が奏する効果
熱光発電システム１及び輻射体３は、前記第１の実施形態と略同様の効果を奏する。さらに、本実施形態の輻射体３は、凹部９の内面に輻射率が高い被覆層３３を有しているので、凹部９から輻射される輻射光の強度が一層増大する。
【００３５】
そのことにより、輻射面７が輻射する輻射光の全エネルギーのうち、複数の凹部９から輻射される光（すなわち、共鳴波長付近の波長を有する光）のエネルギーの比率を高くすることができる。その結果、本実施形態の輻射体３を用いた熱光発電システム１は、高い発電効率を得ることができる。
＜第４の実施形態＞
１．熱光発電システム１及び輻射体３の構成
本実施形態の熱光発電システム１及び輻射体３の構成は、基本的には前記第１の実施形態と同様である。ただし、本実施形態では、図１１に示すように、凹部９の内面のうち、凹部９の開口部９Ａからの距離が、所定の距離ｈ１以下の部分３５に、金から成る金層３７が設けられている。ここで、開口部９Ａからの距離とは、開口部９Ａを起点とする、凹部９の軸方向での距離を意味する。
【００３６】
金層３７は、凹部９、金層１３を前記第１の実施形態において述べたとおり形成した後、輻射体３を適宜傾斜させた治具に固定し、これを自公転させながら斜め入射の真空蒸着を行うことで形成する。
【００３７】
上記ｈ１の値は、Ｌｘの０．５〜２倍の範囲が好ましい。ただし、ｈ１の値は、凹部９の深さｈの０．５倍以下であることが好ましい。なお、部分３５は部分Ｃの一実施形態である。
【００３８】
２．熱光発電システム１及び輻射体３が奏する効果
熱光発電システム１及び輻射体３は、前記第１の実施形態と略同様の効果を奏する。さらに、本実施形態の輻射体３は、凹部９の内面のうち、開口部９Ａに近い部分３５に、輻射率が低い金層３７を備えている。
【００３９】
開口部９Ａに近い部分３５は、波長が狭帯域化されていな輻射光を輻射しやすい場所であるが、そこを輻射率が低い金層３７で覆うことで、共鳴波長から遠い波長の輻射光を抑制することができる。
【００４０】
そのことにより、輻射面７が輻射する輻射光の全エネルギーのうち、共鳴波長付近の波長を有する光のエネルギーの比率を高くすることができる。その結果、本実施形態の輻射体３を用いた熱光発電システム１は、高い発電効率を得ることができる。
【００４１】
尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、前記第１、３、４の実施形態において、金層１３の代わりに、他の金属（例えば、銀、プラチナ等）の層を用いてもよいし、２種以上の金属（例えば、金、銀、プラチナから選ばれる２種以上）の合金層を用いてもよい。
【００４２】
また、前記第１〜第４の実施形態において、輻射体３の主成分として、ニッケルの代わりに、モリブテン、鉄、２種以上の金属（例えば、ニッケル、モリブテン、鉄から選ばれる２種以上）の合金を用いてもよい。
【００４３】
また、前記第２の実施形態において、誘電体多層膜１５は、ＴｉＯ２の層とＺｒＯ２の層とを交互に積層した多層膜であってもよいし、ＳｉＯ２の層とＺｒＯ２の層とを交互に積層した多層膜であってもよい
また、前記第３の実施形態において、被覆層３３を、金ブラックの層としてもよい。
【００４４】
また、前記第１〜第４の実施形態において、輻射面７に直交する方向から凹部９を見たときの凹部の形状は、正方形以外の形状であってもよく、例えば、長方形、円形、楕円形、六角形等であってもよい。また、凹部９の径（Ｌｘ、Ｌｙ）は、開口部９Ａから距離に応じて変化してもよい。例えば、開口部９Ａに近いほど径が大きくなるようにしてもよいし、開口部９Ａに近いほど、径が小さくなるようにしてもよい。
【００４５】
また、前記第１〜第４の実施形態において、凹部９は、輻射面７内で、ランダムに配列されていてもよい。また、凹部９の大きさ、深さｈは、凹部９ごとに異なっていてもよい。
【００４６】
また、前記第１〜第４の実施形態において、輻射体３の基本的な形状は、図１２に示すような、円柱形状であってもよい。この場合、円柱の側面の一部又は全部を輻射面７とすることができる。
【００４７】
また、前記第１〜第４の実施形態において、輻射体３の全表面が輻射面７であってもよい。この場合、例えば、輻射体３の各面ごとに、それに対向する光電変換素子５を設けることができる。
【００４８】
また、前記第３の実施形態において、被覆層３３は、凹部９の内面のうち、開口部９Ａからの距離がｈ１以上の領域に、選択的に形成してもよい（すなわち、前記第４の実施形態における部分３５に相当する領域には被覆層３３を形成しなくてもよい）。
【００４９】
また、前記第４の実施形態において、凹部９の内面のうち、開口部９Ａからの距離がｈ１以上の領域に、前記第３の実施形態と同様に、被覆層３３を形成してもよい。この場合、熱光発電システム１の発電効率が一層向上する。
【００５０】
また、前記第１〜第４の実施形態における構成の一部又は全部を適宜選択して組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１…熱光発電システム、３…輻射体、５…光電変換素子、７…輻射面、９…凹部、９Ａ・・・開口部、９Ｂ・・・底、１３…金層、１５…誘電体多層膜、１７…第１の層、１９…第２の層、２１…第３の層、２３…第４の層、２５…第５の層、２７…第６の層、２９…第７の層、３１…第８の層、３３…被覆層、３７…金層
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図２】
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【図６】
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