（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 令和３年度 学術利用 成果報告書

利用課題名 揺動電磁気シミュレーションを用いた光放射現象に関する研究
英文：A study of light emission phenomena using fluctuational electromagnetic simulation
利用課題責任者
櫻井 篤
所属
新潟大学工学部
http://www.eng.niigata-u.ac.jp/~rad/index.html
邦文抄録（300 字程度）
本 研 究 で は ， 半 導 体 発 光 素 子 （ light emitting diode ; LED ） を 用 い た 熱 フ ォ ト ニ ク ス(Thermophotonics ; TPX)発電システムに注目した．これはエミッタに LED を用いることが特徴である．LED
では，電圧を印加して非平衡状態にすることで，プランクの法則による黒体放射とは異なったエレクトロ・ルミネセンスと呼ばれる発光を生じる．そのため，遠方場においても高効率なエネルギー輸送ができる可能性がある．
TPX システムは，大きな電力密度を有する発電手法である．また，バイアスのかけ方を工夫することで冷却機としても応用できる．
英文抄録（100 words 程度）
In this study, we focused on a thermophotonics (TPX) power generation system using
semiconductor light emitting diodes (LEDs). This is characterized by using LEDs as the emitter. InLEDs, by applying a voltage to bring them into an unbalanced state, light emission called
electroluminescence, which is different from blackbody radiation according to Planck's law, isgenerated. Therefore, there is a possibility that highly efficient energy transportation can beperformed even in a distant field. The TPX system is a power generation method with a large power
density. It can also be applied as a cooler by devising how to apply bias.

Keywords: thermophotonics, light emitting diodes, electroluminescence, power generation
背景と目的問題点がある．

現在，世界規模での急速な工業化に伴い，エネルギ

そ こ で 本 研 究 で は ， 半 導 体 発 光 素 子 （ lightー消費の増加，化石燃料の枯渇や地球温暖化が大き

emitting diode ; LED ） を 用 い た 熱 フ ォ ト ニ ク ス

な問題となっている．更に東日本大震災の発生などに(Thermophotonics ; TPX)発電システムに注目した．

より，脱原子力エネルギーの潮流がある．このような現

こ れ は NTPV 発 電 シ ス テ ム と 異 な り ， エ ミ ッ タ に状から，エネルギー利用の高効率化や自然エネルギーLED を用いることが特徴である．LED では，電圧をによって生み出される再生可能エネルギーの利用に注印加して非平衡状態にすることで，プランクの法則によ目が集まっている．

る黒体放射とは異なったエレクトロ・ルミネセンス(EL)とこれらの問題の解決策の一つとして，近接場熱光起呼ばれる発光を生じる．そのため，遠方場においても電力発電（Near-field Thermophotovoltaic ; NTPV）高効率なエネルギー輸送ができる可能性がある．TPXシステムがある．NTPV システムでは，太陽光だけでシステムは，大きな電力密度を有する発電手法である．

なく工場の排熱など多様な熱源が利用可能である．発

また，バイアスのかけ方を工夫することで冷却機として電原理は，太陽光発電と大きな違いはないが，波長選も応用できる．

択的エミッタによって PV セルの高感度波長域に整合した熱ふく射光を放射することで高効率な発電ができる．

結果および考察

しかし，エミッタと PV セル間の距離をナノメートルスケ

TPX システムの LED-PV セル間のふく射熱伝達をールで維持する必要があり，電力密度が小さいという計算するために，揺動電磁気学シミュレーションを用い（様式 20）成果報告書た．一般的な電磁波解析手法では，有限温度を持つ物て TPX 発電システムのエネルギー輸送メカニズムにつ体から生じる電磁波を表現できない．揺動電磁気学のいて検討した．今後は異なる半導体材料の活用も視野

理論では，物体内部でランダムに熱揺動する格子振動に入れて新たな光と物質の相互作用に起因するエネルを揺動電流としてマクスウェル方程式の電流密度の項ギー輸送メカニズムの解明を目指す．に導入される．従来の電磁波解析手法に揺動電磁気学の理論を組み入れることによって，2 物体間の熱ふく射解析が可能となる．
これまでの TPX に関する研究は，発電，冷却システ
ムのいずれも近接場での運用を想定しているものがほとんどであり，遠方場での運用を想定したシステムの研究・開発は行われていない．TPX システムを遠方場で運用するための最低条件としてシステムの発電量がLED の駆動電力を上回る必要がある．しかし，実際には非放射再結合や表面フォノンポラリトンなどの非理想Fig. 1 Schematic of the TPX system.

特性も考慮する必要がある．
そこで本研究では，TPX 発電システムの LED と PVセルに用いる半導体材料として，２層グラフェン（bilayer graphene; BLG）を用いる．BLG はゲート電圧と構造に応じてバンドギャップが変化する材料であり，比較的低いバンドギャップを取るためバンドギャップ波長が赤外となりやすい．通常，グラフェンは価電子帯と伝導帯がディラック点１点で交わる特異なバンド構造を持つため，バンドギャップを形成せず発光素子としては利用できない．しかし，グラフェンが２層重なった BLGの場合においては，垂直方向のゲート電圧を印加するFig. 2 Spectral Energy flux between the emitter

ことによって２層間の原子の反転対称性が崩れ，バンドand the PV cell at d = 0.1 [µm].

ギャップが形成されるため発光素子として利用することができる．
計算モデルの概略図を Fig.1 に示す．この構造で解析を行った結果が Fig.2,3 である．Fig.2 より近接場領域では単層グラフェンデバイス，２層グラフェンデバイス共に黒体放射限界を大きく上回るエネルギー伝達が起こっているのが確認できる．一方で，Fig.3 によると遠方場領域では単層グラフェンデバイスでは黒体放射下回るが，２層グラフェンデバイスではバンドギャップ波長付近で黒体放射限界以上のエネルギー伝達が達成できている．

Fig. 3 Spectral Energy flux between the emitterand the PV cell at d = 20 [µm].

まとめ、今後の課題

本研究では，揺動電磁気学シミュレーションを用い