2012年7月9日
野田進 工学研究科教授、浅野卓 同准教授、メーナカ?デ?ゾイサ 同研究員等の研究チームは、熱輻射スペクトルの制御による熱エネルギーの有効利用を実証することに成功しました。
物体を热することにより発せられる热辐射は、一般に、极めて広いスペクトルをもつことが知られています。例えば、太阳光スペクトルは、约5800碍の黒体からの热辐射スペクトルに近く、紫外から赤外に至る极めて広い波长スペクトルをもちます。この広いスペクトルのうち、我々は、通常、一部の波长成分のみを利用し、その他の成分は无駄に捨ててしまっています。自然エネルギー利用に向けて最近大きな注目を集めている発电方式の一つに太阳电池がありますが、広い太阳光スペクトルには、太阳电池が吸収して电力に変换できない波长成分が多く存在するため、一般に光电変换効率は10～20％程度に留まっています。ここで、もし太阳光スペクトルそのものを、エネルギー损失なく、极めて狭いスペクトルへと変换?圧缩出来れば、利用可能なエネルギー成分が増大し、発电効率の大幅な高効率化（＞40％）につながるものと期待されます。より一般には、物体からの热辐射スペクトルを、エネルギーの损失なく、狭帯域の所望のスペクトルへと変换?集中できれば、上记、太阳光発电の高効率化のみならず、地热等を利用した热光発电、热の出ない高効率ランプ、各种分析用高効率赤外光源の実现など、その波及効果は极めて大きいと言えます。本研究では、このような、物体からの热辐射スペクトルの制御を可能にする新しいコンセプトの构筑とデバイスの试作を行い、さらに、実际にそのデバイスを用いて、外部から投入した电力を极めて狭い辐射スペクトル（黒体辐射の1／30）に集中可能であることを示し、热辐射スペクトルの制御による热エネルギーの有効利用を実証することに成功しました。
この成果は、英科学誌ネィチャー?フォトニクスの电子版速报に掲载されました。
概要
一般に、物质を加热すると、物质内の电子の动きが活発になり、光を放出するようになります。こうして电子系から発せられた光は、物质内部で再び电子系と相互作用し吸収されます。このような光の放出と吸収は、物质内で繰り返し行われ、やがて热的に安定した状态に落ちつき、物质から、その温度に応じたスペクトルをもつ光が放出されるようになります。通常、このような热辐射は、连続した周波数をもつ电子系と光のランダムな相互作用により起こるために、极めて広いスペクトルをもつことになります。良く知られるプランクの黒体辐射の式は、全ての波长において热平衡状态に至った时の热辐射スペクトルを记述しており、幅広いスペクトルを与えます。このように、热辐射スペクトルが幅広い波长域を示すという特徴は、电子や光等の基本的な性质から生じているため、これを制御することは通常は大変难しいと考えられてきました。
しかし、上记の原理から考えると、逆にもし物质内部での电子系と光の相互作用が、ある特定の波长のみで起こるように制御することが出来れば、その波长のみで热辐射が生じると期待されます。つまり、光の放出?吸収が特定の限られた波长域でのみ强く起こるように、电子の状态、光の状态、さらに両者の相互作用の强さを制御することが出来れば、物质の热エネルギーを狭帯域の热辐射スペクトルとして取り出すことが可能となるはずです。
図1：热辐射制御のための人工物质の构造
上记のような考えのもと、今回、研究チームは、物质中の电子と光の状态およびそれらの相互作用を制御するための新たな方法を考えました。具体的には、図1に示すように、电子の状态の制御のために「量子井戸」と呼ばれる构造を导入し、电子迁移の波长が连続的ではなく离散化されるようにしました。その上で、さらに「フォトニック结晶」と呼ばれる周期的な屈折率分布をもつ人為的な光の结晶构造を导入し、上记の离散化された电子迁移波长のみで、光が强い共振作用を起こす、すなわち、限定された波长域のみで、电子と光の强い相互作用が起こる构造を考案しました。具体的な量子井戸材料としては、础濒骋补础蝉／骋补础蝉を用い、离散化された电子迁移の波长を10?尘程度に设定しました。また、この波长域で强い共振作用を得るため、量子井戸构造に直接フォトニック结晶构造を形成し、その周期は、6.5?尘に设定しました。この人工物质には、外部から热エネルギーを与えることが出来るように电线を设けています。つまり、物质に电気を流すことで、ジュール加热の効果で热エネルギーを与えます。この际、与えた热エネルギーが热対流などで失われないように、物质を真空中に保持するとともに、电流注入用の电线としては、电线そのものを介した热伝导によるエネルギー损失を防ぐため、热伝导率の低いマンガニン线を用いました。
図2：人工物质に外部から电力を投入し、加热したときの热辐射特性
a. 人工物質に11.2mWの電力を投入したときの赤外線写真
b. 電力11.2mWを投入したとき、人工物質からの発光スペクトル（赤線）、比較のために同電力投入時の黒体のスペクトルも青線で示す
図3：入力电力に対する人工物质と黒体の到达温度の比较
図2（补）には、开発した人工物质に、外部から一定の电力（11.2尘奥）を供给して加热した场合の、热辐射の実际の様子を示しています。同図より、确かに量子井戸とフォトニック结晶の両方が形成されている部分において、强い热辐射が生じていることが分かります。同図（产）には、人工物质から放射された热辐射スペクトルを测定した结果が示されています。比较のため、一般化された通常の物体、すなわちどの波长においても电子系と光の相互作用が十分に生じる物体である黒体を用意し、これに同じ电力を注入した场合の热辐射スペクトルも示されています。同図より、新たに开発した人工物质からの热辐射スペクトルは、参照用の黒体スペクトルと比べ、帯域幅は1／30程度と极めて狭く、かつピーク强度は4倍以上になっていることが分かりました。これは、黒体においては様々な波长への热辐射に使われてしまうエネルギーが、人工物质中では、ピーク波长近傍のみに集中して活用されていることを示す结果であり、エネルギーの高効率利用が出来ている証拠と言えます。また、同じ入力电力に対する人工物质および参照用の黒体の温度を比较した结果が図3に示されていますが、人工物质の温度がはるかに高い温度になっていることが分かります。これは、无駄な热辐射が禁止されたことで、そのエネルギーが物质内部に蓄えられたため、物质の温度が上昇したことを意味し、望まない帯域の热辐射によるエネルギーの损失を抑制できている証拠といえます。
図4：狭帯域人工物质を用いた高効率太阳电池システムの概念図
以上のように、これまで难しいと考えられてきた、热辐射スペクトルを狭帯域化して、その帯域に外部から注入されたエネルギーを効率よく集中させることに初めて成功しました。今回の実験では、热辐射の波长域として、10?尘と长い波长を用いましたが、今后、别の材料系、例えば骋补狈／础濒骋补狈量子井戸系等へと展开することで、より短波长（＜～1?尘）へと展开することが可能となると考えられます。また、その他にも様々な材料的な工夫を行うことが可能と考えられます。これにより図4のように、太阳光を一旦、热辐射制御のための人工物质に照射?蓄积し、この人工物质から制御された狭い波长域の光のみを効率良く放出させることで、太阳电池で受光可能な波长域の辐射エネルギーを大幅に増大することが可能となり、极めて高効率な光电変换（＞40％）が可能になるものと期待されます。その他にも、地热などを活用した热光発电や、热の出ないランプ、さらには极めて高効率の分析用赤外光源など、様々な応用が期待され、その波及効果は极めて大きいと言えます。
本研究の一部は、科学研究費補助金および科学技術振興機構 CRESTの援助を受けて行われました。
书誌情报
[DOI]
De Zoysa Menaka, Asano Takashi, Mochizuki Keita, Oskooi Ardavan, Inoue
Takuya, Noda Susumu.
Conversion of broadband to narrowband thermal emission through energy
recycling. Nature Photonics, 2012/07/08/online
doi: 10.1038/nphoton.2012.146
- 朝日新聞（7月9日夕刊 14面）、京都新聞（7月9日夕刊 10面）、産経新聞（7月9日夕刊 10面）、中日新聞（7月10日 33面）、日刊工業新聞（7月11日 19面）、日本経済新聞（7月10日 14面）、読売新聞（10月1日 17面）および東京新聞（7月10日 2面）に掲載されました。