(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱光起電力（ＴＰＶ）エネルギー変換器であって、
熱を受信することに応答してエネルギーの光子を発生させる熱エミッタと、
前記熱エミッタから或る距離に配置された熱レシーバであって、前記受信した光子を電気エネルギーに変換する光起電力セルを含む、熱レシーバと、
を備え、
前記熱エミッタは、前記熱レシーバに最も近い、前記熱エミッタの表面上に配置された第１の層を含み、前記熱レシーバは、前記熱エミッタに最も近い、前記熱レシーバの表面上に配置された材料の第２の層を含み、前記第２の層の材料は、前記第１の層の材料と同一であり、
前記第１の層及び前記第２の層は前記光起電力セルのバンドギャップを超える表面共鳴周波数を有する、ＴＰＶエネルギー変換器。
【請求項２】
前記第１の層の前記表面共鳴周波数は前記第２の層の前記表面共鳴周波数と同一である、請求項１に記載のＴＰＶエネルギー変換器。
【請求項３】
前記第２の層の深さは、前記第１の層及び前記第２の層の前記表面共鳴周波数の波長より小さい、請求項１に記載のＴＰＶエネルギー変換器。
【請求項４】
前記熱レシーバは、前記熱エミッタの最も遠くの、前記熱レシーバの表面上に配置された第３の層を含み、前記第３の層は前記光起電力セルのバンドギャップを超える表面共鳴周波数を有する、請求項１に記載のＴＰＶエネルギー変換器。
【請求項５】
前記第３の層の材料は前記第２の層の材料と同一である、請求項４に記載のＴＰＶエネルギー変換器。
【請求項６】
前記第３の層の材料は前記第２の層の材料と異なる、請求項４に記載のＴＰＶエネルギー変換器。
【請求項７】
前記熱エミッタは、真空によって前記熱レシーバから分離される、請求項１に記載のＴＰＶエネルギー変換器。
【請求項８】
前記熱エミッタは、
基板と、
前記第１の層を形成するために前記基板上に配置された格子と、
を備える、請求項１に記載のＴＰＶエネルギー変換器。
【請求項９】
前記格子は、台形形状を有する断面を有する複数の等距離構造を含む、請求項８に記載のＴＰＶエネルギー変換器。
【請求項１０】
前記格子と前記基板との間に配置された誘電体層を更に備える、請求項８に記載のＴＰＶエネルギー変換器。
【請求項１１】
前記熱エミッタの幾何学的パラメータ及び材料は、λｇ＝ｈｃ／Ｅｇに従って求められるλｇより短い波長を有する放射を放出するように選択され、ここで、ｈはプランクの定数であり、ｃは光速であり、Ｅｇは前記光起電力セルのバンドギャップエネルギーである、請求項１に記載のＴＰＶエネルギー変換器。
【請求項１２】
熱エミッタ及び光起電力セルを有する熱レシーバを含む熱光起電力（ＴＰＶ）エネルギー変換器を製造する方法であって、
前記熱エミッタが到来する熱を放射に変換し、前記光起電力セルのバンドギャップを超える表面共鳴周波数を有するように、前記熱エミッタの材料及び幾何学的パラメータを選択することと、
前記熱エミッタが、前記熱レシーバに最も近い、前記熱エミッタの表面上に配置された第１の層を含み、前記熱レシーバが、第２の層を含み、前記第２の層の材料が前記第１の層の材料と同一であるように、前記光起電力セルのバンドギャップを超える表面共鳴周波数を有する前記第２の層を設計することと、
前記設計された前記第２の層が、前記熱エミッタに最も近い、前記熱レシーバの表面を形成するように、前記熱レシーバから或る距離に配置された前記熱エミッタを有する前記ＴＰＶエネルギー変換器を製造することと、
を含む、方法。
【請求項１３】
前記設計することは、
前記第２の層の深さの他の値と比べて、受信した光子を電気エネルギーに変換する効率を最大にする前記第２の層の深さの値を選択することを含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱光起電力（ＴＰＶ：thermophotovoltaic）システムに関し、より具体的には、ＴＰＶシステム内のＴＰＶエネルギー変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱光起電力（ＴＰＶ）エネルギー変換は、熱を、光子を介して電気に変換するプロセスである。基本的なＴＰＶシステムは、熱エミッタ及び光起電力（ＰＶ：photovoltaic）セル（一般的にソーラセルとも呼ばれる）を含むレシーバを含む。エミッタは、熱源によって或る特定の（高い）温度に維持され、ＰＶセルに光子を放射する。ＰＶセルは、バンドギャップＥｇによって特徴付けられた半導体である。バンドギャップより大きいエネルギーの、エミッタが放射した光子を吸収すると、価電子帯を占める電子が伝導帯に励起され、電流源になる。
【０００３】
ＴＰＶ効率を支配する因子は、熱エミッタによって放出される光子の数及びＰＶセルによって吸収される光子の（エネルギー）スペクトルを含む。所与のエミッタ放射スペクトルについて、低エネルギー及び高エネルギーの光子を、電流に完全に変換できない。すなわち、低エネルギー光子は、一方で、伝導電子を発生できないため浪費され、高エネルギー光子は、他方で、熱電子を発生し、熱電子は、（光子を放出することによって）伝導帯の底に達するまでに急速に減衰し、正味の電圧は、最大でもＶｇ＝Ｅｇ／｜ｅ｜である。したがって、理想的なエミッタスペクトルは、出来る限り強いピーク強度を有する、バンドギャップの少し上にピークのある狭い幅のスペクトルである。
【０００４】
ＴＰＶ効率を改善するために、熱エミッタは、光起電力セルのバンドギャップのエネルギーより高いエネルギーを有する光子を放出しなければならない。特許文献１を含む過去の研究は、熱を、ＴＰＶシステムに対して調整された表面共鳴周波数を有する放射に変換する熱エミッタの設計に的を絞っている。例えば、近方場ベースＴＰＶシステムの場合、エミッタは、空間的に局在化される少数の（少なくとも１つの）共鳴モードをサポートし、エミッタとＰＶセルとの間の分離は、共鳴モードによって規定される波長より遥かに短い。達成される場合、吸収される放射スペクトルは、共鳴エネルギーにピークがあり、黒体限界より数桁高いピーク強度を有する。
【０００５】
概して、ＰＶセルによって吸収される光子（そのエネルギーはＥｇより大きい）の数を増加させることは、ＰＶセルによって生成される出力電力を増大させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第１５／３４７，９６１号
【発明の概要】
【０００７】
熱光起電力（ＴＰＶ）システムのＰＶセルによって吸収される光子（そのエネルギーはＥｇより大きい）の数を増加させ、それにより、ＴＰＶシステムの効率を増加させること、及び／又は、ＰＶセルが発生できる電力を増加させることが幾つかの実施形態の目的である。幾つかの実施形態は、熱エミッタとＰＶセルとの間の分離を減少させることによって、光子の反射を低減できる、すなわち、分離が小さければ小さいほど、エミッタからより多くの光子をＰＶセルが吸収できるという理解に基づく。しかしながら、エミッタとＰＶセルとは異なる温度に維持されるので、熱エミッタは、ＰＶセルから十分に分離される必要がある。換言すれば、エミッタとＰＶセルとの間の距離は無制限に減少させることはできない。
【０００８】
幾つかの実施形態は、ＰＶセルにおける光子の吸収を、熱エミッタとＰＶセルを含む熱レシーバとの間の「インピーダンス整合（impedance matching）」によって増加できるという理解に基づく。例えば、電気インピーダンスは、電圧が印加されると回路が電流に対して呈する抵抗の尺度である。電子工学において、インピーダンス整合は、信号源からの電力伝達を最大にするように、又は、負荷からの信号反射を最小にするように、電気負荷の入力インピーダンス及び／又はその対応する信号源の出力インピーダンスを設計する慣行である。同じ原理は放射エネルギー伝達のためのインピーダンス整合に当てはまる。この場合、インピーダンス整合は、材料の表面共鳴の関数であり、その関数は、ひいては、材料の角周波数及び減衰係数又は帯域幅等の材料の誘電体特性の関数である。
【０００９】
幾つかの実施形態は、ＰＶセルが熱エミッタの材料と異なる材料を有し、そのことが不十分なインピーダンス整合をもたらすという認識に基づく。そのため、幾つかの実施形態は、熱エミッタの特性と同様の又は厳密に同じ特性の表面層をＰＶセルの上部に付加して、熱エミッタとレシーバとの間のインピーダンスを整合させる。
【００１０】
特筆すべきことに、表面層を付加することは、従来の見識に反する。この従来の見識とはすなわち、表面層を付加することはエミッタとＰＶセルとの間の距離を増加させ、表面層はＰＶセルによって吸収することができたはずの光子を吸収するおそれがある、というものである。しかしながら、インピーダンス整合はこれらの欠点を過剰補償する。その表面共鳴がエミッタの表面共鳴に近い薄い前材料（理想的にはエミッタと同じ材料）を設置することによって、吸収体によって吸収される光子の数が増大される。この増大は、上記で述べた欠点を上回る。
【００１１】
したがって、１つの実施形態は、熱光起電力（ＴＰＶ）エネルギー変換器であって、熱を受信することに応答してエネルギーの光子を発生させる熱エミッタと、熱エミッタから或る距離に配置された熱レシーバであって、受信した光子を電気エネルギーに変換する光起電力セルを含む、熱レシーバとを備え、熱エミッタは、熱レシーバに最も近い、熱エミッタの表面上に配置された第１の層を含み、熱レシーバは、熱エミッタに最も近い、熱レシーバの表面上に配置された第２の層を含み、第２の層の材料は第１の層の材料と同一であり、第１の層及び第２の層は光起電力セルのバンドギャップを超える表面共鳴周波数を有する、ＴＰＶエネルギー変換器を開示する。
【００１２】
別の実施形態は、熱エミッタ及び光起電力セルを有する熱レシーバを含む熱光起電力（ＴＰＶ）エネルギー変換器を製造する方法を開示する。本方法は、熱エミッタが到来する熱を放射に変換し、光起電力セルのバンドギャップを超える表面共鳴周波数を有するように、熱エミッタの材料及び幾何学的パラメータを選択することと、表面層の表面共鳴周波数が光起電力セルのバンドギャップを超えるように、熱レシーバの表面層を設計することと、設計された表面層が、熱エミッタに最も近い、熱レシーバの表面を形成するように、熱レシーバから或る距離に配置された熱エミッタを有するＴＰＶエネルギー変換器を製造することとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】幾つかの実施形態によるＴＰＶシステムの概略図である。
【図２】ＴＰＶ用途のために調整された熱エミッタの最適エミッタンス曲線のプロットである。
【図３】１つの実施形態による熱エミッタの概略図である。
【図４】別の実施形態による誘電体層を含む熱エミッタの概略図である。
【図５】光子の吸収が表面共鳴周波数に依存することを示すグラフである。
【図６Ａ】１つの実施形態による熱エミッタを製造する方法のブロック図である。
【図６Ｂ】１つの実施形態による図６Ａの熱エミッタを含むＴＰＶシステムを形成するために熱レシーバ及び／又は熱レシーバの表面層を製造する方法のブロック図である。
【図７Ａ】１つの実施形態による対称ＴＰＶ変換器の概略図である。
【図７Ｂ】幾つかの実施形態によって決定される表面層の厚さ又は深さの異なる値についての、図７ＡのＴＰＶ変換器のＰＶセルによって吸収される放射電力スペクトルを示す図である。
【図８】別の実施形態によるＴＰＶ変換器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
熱光起電力（ＴＰＶ）エネルギー変換は、熱から電気への変換を伴い、１９６０年代以降、有望な技術として特定されている。例示的なＴＰＶシステムは熱エミッタ及び熱レシーバを含む。熱エミッタは、通常、（すなわち、通常、約１２００°Ｋから約１５００°Ｋの範囲内の）高温に加熱されると熱放出を発生させる、固体材料のピース又は特別設計された構造である。熱放出は、熱エミッタ材料内の電荷の熱運動による光子の自発放射（放出）である。通常のＴＰＶシステム動作温度の場合、放射される光子の大部分は、近赤外周波数及び赤外周波数にある。熱レシーバは、これらの放射された光子の一部を吸収するために位置決めされた光起電力（ＰＶ）セルを含み、ソーラセルに通常関連する方法で、吸収される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築される。熱エミッタは、外部源から（例えば、集中化された太陽光又は他の熱発生器によって）加熱される固体構造とすることができる。
【００１５】
図１は、幾つかの実施形態によるＴＰＶシステムの概略図を示す。ＴＰＶシステムは、熱源１１５と、熱源１１５からの熱を放射に変換する熱エミッタ１１０と、放射を電気に変換する、熱エミッタ１１０から或る距離１２５に配置された光起電力セル１２０とを含む。熱源１１５の例は、太陽、及び、燃焼、原子力、並びに他のエネルギー源からの放射を含む。
【００１６】
ＴＰＶの動作は、光起電力（ＰＶ）原理に基づくが、直接放射エネルギーは、高温（１０００Ｋ〜２０００Ｋ）エミッタからのものである。そのため、幾つかの実施形態は、エミッタ材料として、タングステン等の耐熱金属を使用する。例えば、ＰＶシステムにおいて、ソーラセルは、太陽からの放射エネルギーを直接受信する。エミッタとＴＰＶセルとの間の距離１２５は、約μｍからｃｍであり、一方、ＰＶシステムにおいて、ソーラセルは、太陽から数百万マイル離れている。そのため、ＴＰＶにおけるエミッタからの放射強度は、エミッタとＴＰＶセルとの間の距離が近いために、ＰＶシステムにおける太陽からの放射強度より遥かに高いが、エミッタ温度は、太陽温度より遥かに低い。同様に、ＰＶシステムは、太陽放射の一部を使用することができるだけであり、ソーラセルのバンドギャップより高いエネルギーを有する光子のみを、電子−正孔対に変換でき、他の低エネルギー光子は役立たない。しかしながら、ＴＰＶ内の適切なスペクトル制御システムを用いる場合、半導体バンドギャップ未満のエネルギーを有する光子を、エミッタに戻るように反射し、再利用できる。そのため、適切なスペクトル制御を用いる場合、ＴＰＶシステムの潜在的効率はＰＶシステムより遥かに高い。
【００１７】
特に、ＴＰＶエミッタが理想的な黒体エミッタである場合、かなりの量の放出電力が浪費される。その理由は、ＰＶセルのバンドギャップ（対応する波長λｇ＝ｈｃ／Ｅｇを有するＥｇ、ここで、ｈはプランクの定数であり、ｃは光速である）未満のエネルギーを有する光子が、電子−正孔対を発生できないからである。したがって、幾つかの実施形態において、熱エミッタ１１０は、出来る限りＰＶセルバンドギャップより高いエネルギーを有する光子を放出し、出来る限りＰＶセルバンドギャップより低いエネルギーを有する光子を放出しないように設計される。
【００１８】
しかしながら、そのバンドギャップＥｇより高い適切なエネルギーを有する光子がＰＶセル１２０に当たると、光子の一部は後方に反射し、光子の一部のみがＰＶセルによって吸収されて、電子及び正孔を発生させる。幾つかの実施形態において、熱エミッタは、真空によって熱レシーバから分離される。さらに又は代替的に、熱エミッタと熱レシーバとの間の距離１２５はナノメートル（ｎｍ）のオーダーである。
【００１９】
ＰＶセルによって吸収される光子は、熱エミッタとＰＶセルとの間の分離１２５を減少させることによって増大する可能性がある、すなわち、分離が小さければ小さいほど、エミッタからより多くの光子をＰＶセルが吸収できる。しかしながら、熱エミッタは、エミッタとＰＶセルとを異なる温度に固定できるように、ＰＶセルから十分に分離される必要がある。すなわち、エミッタとＰＶセルとの間の距離は無制限に減少させることはできない。
【００２０】
幾つかの実施形態は、ＰＶセルにおける光子の吸収を、熱エミッタ１１０とＰＶセル１２０を含む熱レシーバ１５０との間の「インピーダンス整合」１６０によって増加できるという理解に基づく。例えば、電気インピーダンスは、電圧が印加されると回路が電流に対して呈する抵抗の尺度である。電子工学において、インピーダンス整合は、信号源からの電力伝達を最大にするように、又は、負荷からの信号反射を最小にするように、電気負荷の入力インピーダンス及び／又はその対応する信号源の出力インピーダンスを設計する慣行である。このインピーダンス整合の概念は、放射エネルギー伝達のためのインピーダンス整合にも当てはまる。この場合、インピーダンス整合は、材料の表面共鳴の関数であり、その関数は、ひいては、材料の角周波数及び減衰係数又は帯域幅等の材料の誘電体特性の関数である。
【００２１】
幾つかの実施形態は、ＰＶセルが熱エミッタの材料と異なる材料を有し、そのことが不十分なインピーダンス整合をもたらすという認識に基づく。これは、ＰＶセルの材料及び熱エミッタの材料が異なる目的で設計されるためである。そのため、幾つかの実施形態は、熱エミッタの特性と同様の又は厳密に同じ特性を有する表面層１４０をＰＶセルに付加して、熱エミッタ１１０とレシーバ１５０との間のインピーダンスを整合させる。
【００２２】
特筆すべきことに、表面層を付加することは、従来の見識に反する。この従来の見識とはすなわち、表面層を付加することはエミッタとＰＶセルとの間の距離１３０を増加させ、表面層はＰＶセルによって吸収することができたはずの光子を吸収するおそれがある、というものである。しかしながら、インピーダンス整合はこれらの欠点を過剰補償する。その表面共鳴がエミッタの表面共鳴に近い薄い前材料（理想的にはエミッタと同じ材料）を設置することによって、吸収体によって吸収される光子の数が増大される。この増大は、上記で述べた欠点を上回る。
【００２３】
そのため、幾つかの実施形態において、ＴＰＶエネルギー変換器１００は、エネルギーの光子を発生させる熱エミッタ１１０及び熱エミッタから或る距離に配置された熱レシーバ１５０を含む。熱レシーバは、受信した光子を電気エネルギーに変換する光起電力セル１２０を含む。熱エミッタは、熱レシーバに最も近い、熱エミッタ１１０の表面上に配置された第１の層を含む。幾つかの実装態様において、熱エミッタはモノリシック構造であり、第１の層は熱エミッタ１１０全体によって形成される。代替の実施形態において、熱エミッタは層状構造であり、第１の層は熱レシーバ１５０に最も近い層である。
【００２４】
熱レシーバ１５０は、熱エミッタに最も近い、熱レシーバの表面上に配置された第２の層１４０を含む。そのため、第２の層は、本明細書で、表面層又は熱レシーバの表面層とも呼ばれる。第２の層は、熱エミッタと熱レシーバとの間のインピーダンス整合１６０を提供するために設計される。そのため、第１の層及び第２の層は共に、光起電力セルのバンドギャップを超える表面共鳴周波数を有する。
【００２５】
図２は、ＴＰＶ用途のために調整された熱エミッタの最適エミッタンス曲線２５０のプロットを示す。最適エミッタンス曲線２５０は、λｇより短い波長の場合に少なくとも理想的に１に等しいスペクトルを有する高エミッタンスゾーン２５１と、λｇより長い波長の場合に少なくとも理想的に０に等しいスペクトルを有する低エミッタンスゾーン２５２とを有する、ステップ関数に従う。そのため、幾つかの実施形態において、熱エミッタの構造及び材料は、曲線２５０を近似するように選択され、第２の層１４０の構造及び材料は、インピーダンスを熱エミッタと整合させるように選択される。
【００２６】
図３は、一実施形態による熱エミッタ３００の概略図を示す。熱エミッタ３００は、基板３１０及び基板上に配置された格子３２０を含む。格子３２０は、複数の等距離構造３２５を含む。この例において、構造３２５の断面は台形形状を有し、例えば、格子３２０の等距離構造３２５は、三角形プロファイルの溝３２６によって分離される。代替の実施形態において、格子の異なるプロファイルが使用される。
【００２７】
幾つかの実施形態は、空洞共鳴（cavity resonances）、伝播型表面プラズモンポラリトン（propagating surface plasmon polaritons）、及び局在化表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：localized surface plasmon resonances）を含む幾つかの物理的メカニズムによって、格子が平坦タングステン表面と比較して放出を大幅に増大できるという認識に基づく。ＬＳＰＲを、垂直と水平との両方の金属−誘電体境界において励起することができ、共鳴周波数を、幾何学的設計を介して調整することができる。さらに、ＬＳＰＲをサポートするナノ構造を、サブ波長であるように作ることができ、したがって、より多くの共鳴が同じエリア内で励起され、より強い吸収効果を生成することができる。
【００２８】
熱エミッタ３００において、第１の層は、格子３２０によって及び／又は基板３１０と格子３２０との組合せによって（こうした組合せがモノリシックである場合）形成される。代替の実施形態において、熱エミッタの他の層状構造が使用される。
【００２９】
図４は、熱エミッタの格子４２０と基板４１０との間に配置された誘電体層４３０を含む別の実施形態による熱エミッタの概略図を示す。例えば、誘電体層４３０はＳｉＯ２（二酸化ケイ素）を含むことができる。誘電体層４３０は更なる励起共鳴モードをサポートし、それにより、放出されるスペクトルの高エミッタンスゾーンの長さを増加させる。この実施形態において、第１の層は格子４４０によって形成される層である。
【００３０】
図５は、光子の吸収が熱エミッタ及び／又は熱レシーバの材料の表面共鳴周波数に依存することを示すグラフ５００を示す。幾つかの実施形態は、マクスウェルの方程式及び量子力学から、ω１、γ１、及びω２、γ２（ωは共鳴エネルギーであり、γは対応する減衰レートである）によってそれぞれ特徴付けられる表面共鳴をサポートする２つの材料について、材料の間のエネルギー伝達、すなわち光子の吸収が、ω１＝ω２及びγ１＝γ２であるときに増加するという認識に基づく。
【００３１】
そのため、幾つかの実施形態において、第１の層の表面共鳴周波数は第２の層の表面共鳴周波数と同一である。例えば、この実施形態の１つの実装において、第１の層の材料は、インピーダンス整合を簡略化するために第２の層の材料と同一である。しかしながら、代替の実施形態において、この要件は、ＴＰＶ変換器の設計を簡略化するために緩和される。これらの実施形態において、第１の層及び第２の層の表面共鳴周波数は互いに近いが、厳密に同じでない。
【００３２】
例えば、１つの実施形態において、第１の層の表面共鳴周波数の帯域幅は第２の層の表面共鳴周波数の帯域幅に交差する。例えば、第１の層の表面共鳴周波数と第２の層の表面共鳴周波数との差は閾値より小さい。例えば、閾値を、第１の層の材料及び第２の層の材料の一方又は組合せの減衰係数の関数として規定することができる。
【００３３】
図６Ａは、１つの実施形態による、熱エミッタ及び光起電力セルを含むＴＰＶシステムを形成するために熱エミッタを製造する方法のブロック図を示す。本方法は、熱エミッタの材料６１５を選択する（６１０）。材料６１５の例は、その熱抵抗によってタングステンを含む。
【００３４】
本方法は、熱エミッタの幾何学的パラメータ及び材料が、λｇ＝ｈｃ／Ｅｇに従って求められるλｇより短い波長を有する放射を放出するよう選択されるように、光起電力セルのバンドギャップ６３５の関数に基づく台形形状の幾何学的パラメータ６２５を選択する（６２０）。ここで、ｈはプランクの定数であり、ｃは光速であり、Ｅｇは光起電力セルのバンドギャップ未満のエネルギーである。次に、熱エミッタは、基板と、幾何学的パラメータによって台形形状を形成する非長方形断面を有する形状を有する複数の等距離構造を含む格子とを含むように、材料６１５を使用して製造される（６３０）。
【００３５】
異なる実施形態において、図６Ａの方法の計算は、プロセッサを使用して実施される。例えば、プロセッサを、エミッタンス曲線をプロットするために及び／又は熱エミッタの性能をシミュレートするために使用できる。製造すること（６３０）を、例えば、薄い誘電体層を基板の上部に堆積させること、及び、最初に薄いフィルムを堆積させ、次に、格子パターンを形成するフォトリソグラフィ及びエッチングステップを経ることにより格子層を作製することによって実施できる。
【００３６】
図６Ｂは、１つの実施形態による、図６Ａの熱エミッタを含むＴＰＶシステムを形成するために、熱レシーバ及び／又は熱レシーバの表面層を製造する（６６０）方法のブロック図を示す。実施形態は、熱エミッタ１１０の材料６１５及び／又は幾何学的パラメータ６２５に基づいて熱レシーバの表面層の材料を選択して、熱エミッタの表面層の表面共鳴周波数と同様の表面共鳴周波数を有する表面層を設計する。
【００３７】
例えば、実施形態は、材料６１５と同一の材料６４５を選択し（６４０）、熱レシーバの設計のために最適化された熱エミッタの表面層の厚さ６５５を決定して（６５０）、光子の吸収を増加させ、エネルギー伝達を改善することができる。例えば、１つの実施形態において、熱レシーバの第２の層の深さは、熱エミッタの第１の層及び／又は熱レシーバの第２の層の表面共鳴周波数の波長より小さい。製造すること（６６０）を、製造すること（６３０）と同様の方法で実施できる。１つの実施形態において、ＴＰＶ変換器は１つのデバイスとして同時に製造される。
【００３８】
ＴＰＶ変換器の例示的な設計パラメータ
幾つかの実施形態は、層状構成で配置された材料について、材料の間の放射熱伝達を、ダイアディックグリーン関数（dyadic Green）及び揺動散逸定理（fluctuation-dissipation theorem）に従うランダム電流源を使用して計算できるという認識に基づく。平面内モメンタムＫ（ｘ−ｙ平面を規定する）が良好な量子数である平面構造の場合、関数ｚとして平面に垂直なポインティングベクトル（Poynting vector）は、形態
【数１】
0006880225.tif 000002
を有する。
【００３９】
ここで、
【数２】
0006880225.tif 000003
はプランク分布であり、Ａはエミッタの表面積であり、ｋＢはボルツマン定数であり、ｋ＝｜Ｋ｜であり、ε（ω，ｋ；ｚ）は空間構成によって決定される無次元関数である。幾つかの実施形態は、ＴＰＶ変換器の有効性を設計し試験するために、式（１）を厳密に計算する。
【００４０】
例えば、１つの実施形態は、その誘電関数を、
【数３】
0006880225.tif 000004
としてＢＮ（窒化ホウ素）に対応するローレンツ発振器モデルによって記述できるエミッタを考慮する。ここで、ε∞＝４．４６である。ωＬＯ及びωＴＯは縦光学モード及び横光学モードの周波数である。全ての周波数は、
【数４】
0006880225.tif 000005
において測定され、ここで、
【数５】
0006880225.tif 000006
である。ＰＶセルについて、誘電関数は直接価電子帯−伝導帯バンド間遷移（valence-to-conduction interband transition）によって支配される。
【００４１】
エミッタと吸収体との間の放射エネルギー伝達は、ＴＰＶシステムの共通共鳴モードに対するそれらの結合に起因する。エミッタ／真空サブシステムのみが共鳴モードを維持する場合、設計原理は、吸収体に対する減衰レートに出来る限り近い、エミッタに対する減衰レートをシステム共鳴に持たせることである。この「インピーダンス整合」条件は放射エネルギー伝達を最大にする。減衰レートが、損失に関連し、制御するのがより難しいため、幾つかの実施形態は、単一共鳴のシステムを最適化することを考慮しない。エミッタ／真空と真空／吸収体との両方のサブシステムがそれらのそれぞれの共鳴モードを維持する場合（そのため、全体システムの２つの共鳴モードが存在する）、最大放射伝達は、これらの２つのサブシステムの実数部複素固有エネルギー（real part complex eigenenergies）が、考えられる最大Ｋ範囲について値が近いときに起こり、それは、設計原理として役立つ。対称エミッタ真空−エミッタ構成はこの基準を満たす。
【００４２】
図７Ａは、１つの実施形態による対称ＴＰＶ変換器の概略図を示す。熱エミッタ１１０の層の材料は、熱レシーバの表面層７２０の材料と同一である。層７２０は、真空によって熱エミッタ１１０から分離され、等しい距離７２５、例えば１０ｎｍに配置される。そのため、図７ＡのＴＰＶ変換器を、エミッタ真空（１０ｎｍ）−前材料−ＰＶ構成と呼ぶことができる。
【００４３】
図７Ｂは、幾つかの実施形態によって決定される層７２０の厚さ又は深さ７１０の異なる値についての、図７ＡのＴＰＶ変換器のＰＶセルによって吸収される放射電力スペクトル７３０を示す。例えば、プロット７４０は層７２０の４ｎｍの深さに対応し、一方、プロット７５０は５ｎｍの深さに対応する。前材料はエミッタと同じに選択され、ＰＶ吸収電力が最大になる約４ｎｍの最適厚さが存在する。そのため、幾つかの実施形態は、熱エミッタの表面層の深さの異なる値についてＴＰＶシステムの効率を試験し、表面層の深さの他の値と比べて、受信した光子を電気エネルギーに変換する効率を最大にする表面層の深さの値を選択する。
【００４４】
図８は、別の実施形態によるＴＰＶ変換器の概略図を示す。この実施形態において、ＴＰＶ変換器８００のレシーバは、表面層８１０と背面層８２０との両方を含む。背面層８２０の材料は、表面層８１０の材料と同じ又は異なることができる。背面層８２０は、ＴＰＶ変換器のエネルギー効率を更に改善できる。
【００４５】
本発明の上記で説明した実施形態は、多数の方法のうちの任意のもので実施することができる。例えば、実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア又はそれらの組み合わせを用いて実施することができる。ソフトウェアで実施される場合、ソフトウェアコードは、単一のコンピュータに設けられるのか又は複数のコンピュータ間に分散されるのかにかかわらず、任意の適したプロセッサ又はプロセッサの集合体において実行することができる。そのようなプロセッサは、１つ以上のプロセッサを集積回路部品に有する集積回路として実装することができる。ただし、プロセッサは、任意の適したフォーマットの回路類を用いて実装することができる。
【図１】
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【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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