JP2014085101A - 熱変換部材及び熱変換積層体 - Google Patents
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Abstract
【課題】光を熱に効率的に変換することができる熱変換部材を提供する。
【解決手段】熱変換部材は、少なくとも１種の半導体を含む熱変換部材であって、半導体のバンドギャップが0.5eV以上1.2eV以下であることを特徴とする。太陽光の波長が2480nm〜1000nm（光エネルギー：0.5〜1.2eV）である範囲において吸収と非吸収との急峻な変化を有するので、200℃〜600℃の熱媒体からの熱輻射による放熱を抑えつつ、太陽光を効率よく吸収することができ、光を熱に効率的に変換することができる。
【選択図】図１
【解決手段】熱変換部材は、少なくとも１種の半導体を含む熱変換部材であって、半導体のバンドギャップが0.5eV以上1.2eV以下であることを特徴とする。太陽光の波長が2480nm〜1000nm（光エネルギー：0.5〜1.2eV）である範囲において吸収と非吸収との急峻な変化を有するので、200℃〜600℃の熱媒体からの熱輻射による放熱を抑えつつ、太陽光を効率よく吸収することができ、光を熱に効率的に変換することができる。
【選択図】図１
Description
本発明は、熱変換部材及び熱変換積層体に関する。
太陽光を熱に変換して、その熱を利用して発電を行う太陽光発電システムが知られている。このようなシステムでは、集光部で太陽光を集光し、そして集光した太陽光によって、容器又は流路内の熱媒体（オイル、溶解塩、溶融ナトリウム等）を加熱することが知られている。そして、容器又は流路の表面に被覆物、薄膜等を提供し、それによって集光した太陽光による熱媒体の加熱を促進することが検討されている。
例えば、特許文献１には、太陽光を熱に変換する部材として、サーメット層（Ｃｅｒａｍｉｃ＋Ｍｅｔａｌ＝Ｃｅｒｍｅｔ）が用いられることが提案されている。さらに、例えば、特許文献２には、太陽光線の作用を受ける一方のセクション、前記の一方のセクションとは間隔を置き、前記の太陽光線から離れていて、熱吸収媒質の作用を受ける他方のセクション、及びこの２つのセクションの間に配置された太陽エネルギー収集装置において、前記の吸収要素が被覆されたシート材料からなり、このシート材料が、太陽光線の作用を受ける前記のセクションに向かっている前記のシートの一方の側に太陽光線の選択的コーチングを有し、また熱吸収媒質の作用を受ける前記のセクションに向かっている前記のシートの他方の側に放射性のコーチングを有することを特徴とする前記収集装置が提案されている。
しかしながら、集光した太陽光による熱媒体の加熱を促進して、更に効率的に、光を熱に変換することが望まれているのが現状である。
本発明は、光を熱に効率的に変換することができる熱変換部材を提供することを目的とする。さらに、本発明は、光を熱に効率的に変換することができる熱変換部材を含む熱変換積層体を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための手段は、以下の第（１）項〜第（１０）項である。
（１）少なくとも１種の半導体を含む熱変換部材であって、
その半導体のバンドギャップが0.5eV以上1.2eV以下である、
熱変換部材。
（２）少なくとも１種の半導体と透明誘電体とのコンポジット材を含む熱変換部材であって、
その半導体のバンドギャップが0.5eV以上1.2eV以下である、
熱変換部材。
（３）その半導体がFeS2を含む、第（１）項又は第（２）項に記載の熱変換部材。
（４）その半導体がMg2Siを含む、第（１）項又は第（２）項に記載の熱変換部材。
（５）その半導体がZn3As2を含む、第（１）項又は第（２）項に記載の熱変換部材。
（６）その半導体がGeを含む、第（１）項又は第（２）項に記載の熱変換部材。
（７）膜状である、第（１）項から第（６）項のいずれか１項に記載の熱変換部材。
（８）前記膜状が１ｎｍから１０μｍの厚さである、第（７）項に記載の熱変換部材。
（９）少なくとも、第（７）項又は第（８）項に記載の熱変換部材を含む少なくとも１つの層と、金属層とが積層されてなる、熱変換積層体。
（１０）少なくとも、金属層と、第（７）項又は第（８）項に記載の熱変換部材を含む少なくとも１つの層と、透明誘電体層とが、この順序で積層されてなる、熱変換積層体。
（１）少なくとも１種の半導体を含む熱変換部材であって、
その半導体のバンドギャップが0.5eV以上1.2eV以下である、
熱変換部材。
（２）少なくとも１種の半導体と透明誘電体とのコンポジット材を含む熱変換部材であって、
その半導体のバンドギャップが0.5eV以上1.2eV以下である、
熱変換部材。
（３）その半導体がFeS2を含む、第（１）項又は第（２）項に記載の熱変換部材。
（４）その半導体がMg2Siを含む、第（１）項又は第（２）項に記載の熱変換部材。
（５）その半導体がZn3As2を含む、第（１）項又は第（２）項に記載の熱変換部材。
（６）その半導体がGeを含む、第（１）項又は第（２）項に記載の熱変換部材。
（７）膜状である、第（１）項から第（６）項のいずれか１項に記載の熱変換部材。
（８）前記膜状が１ｎｍから１０μｍの厚さである、第（７）項に記載の熱変換部材。
（９）少なくとも、第（７）項又は第（８）項に記載の熱変換部材を含む少なくとも１つの層と、金属層とが積層されてなる、熱変換積層体。
（１０）少なくとも、金属層と、第（７）項又は第（８）項に記載の熱変換部材を含む少なくとも１つの層と、透明誘電体層とが、この順序で積層されてなる、熱変換積層体。
本発明によれば、光を熱に効率的に変換することができる熱変換部材が提供される。さらに、本発明によれば、光を熱に効率的に変換することができる熱変換部材を含む熱変換積層体が提供される。
（１）熱変換部材
本発明による熱変換部材は、少なくとも１種の半導体を含む熱変換部材であって、半導体のバンドギャップが0.5eV以上1.2eV以下であることを特徴とする、熱変換部材である。また、本発明による熱変換部材は、少なくとも１種の半導体と透明誘電体とのコンポジット材を含む熱変換部材であって、半導体のバンドギャップが0.5eV以上1.2eV以下であることを特徴とする、熱変換部材である。図１は、太陽光の光スペクトルと熱輻射光の光スペクトルとを示す図であるが、本発明による熱変換部材は、太陽光の波長が2480nm〜1000nm（光エネルギー：0.5〜1.2eV）である範囲において吸収と非吸収との急峻な変化を有するので、200℃〜600℃の熱媒体からの熱輻射による放熱を抑えつつ、太陽光を効率よく吸収することができ、光を熱に効率的に変換することができる。波長が2480nm〜1000nmである範囲において、光の吸収率の傾きが緩やかで吸収と非吸収との急峻な変化を有さないと、太陽光吸収率の低下及び熱輻射率の増加となり、熱エネルギーのロス増加につながることとなる。
本発明による熱変換部材は、少なくとも１種の半導体を含む熱変換部材であって、半導体のバンドギャップが0.5eV以上1.2eV以下であることを特徴とする、熱変換部材である。また、本発明による熱変換部材は、少なくとも１種の半導体と透明誘電体とのコンポジット材を含む熱変換部材であって、半導体のバンドギャップが0.5eV以上1.2eV以下であることを特徴とする、熱変換部材である。図１は、太陽光の光スペクトルと熱輻射光の光スペクトルとを示す図であるが、本発明による熱変換部材は、太陽光の波長が2480nm〜1000nm（光エネルギー：0.5〜1.2eV）である範囲において吸収と非吸収との急峻な変化を有するので、200℃〜600℃の熱媒体からの熱輻射による放熱を抑えつつ、太陽光を効率よく吸収することができ、光を熱に効率的に変換することができる。波長が2480nm〜1000nmである範囲において、光の吸収率の傾きが緩やかで吸収と非吸収との急峻な変化を有さないと、太陽光吸収率の低下及び熱輻射率の増加となり、熱エネルギーのロス増加につながることとなる。
本発明による熱変換部材に含まれる少なくとも１種の半導体は、１種の半導体でもよいし、２種以上の半導体の混合物でもよい。
本発明による熱変換部材に含まれる半導体は、特に限定されることなく、例えば、ＦｅＳ2、Ｍｇ2Ｓｉ、Ｚｎ3Ａｓ2、Ｇｅ等が挙げられる。
本発明による熱変換部材に含まれる少なくとも１種の半導体のバンドギャップは0.5eV以上1.2eV以下であり、0.7eV以上1.0eV以下であることが好ましい。
本発明による熱変換部材に含まれるコンポジット材（複合材とも言う。）の透明誘電体は、特に限定されることはないが、例えば、SiO2、Al2O3、AlN等が挙げられるが、SiO2であることが好ましい。
本発明による熱変換部材に含まれる少なくとも１種の半導体がＦｅＳ2、Ｍｇ2Ｓｉ、Ｚｎ3Ａｓ2又はＧｅを含むことが好ましい。ＦｅＳ2、Ｍｇ2Ｓｉ、Ｚｎ3Ａｓ2及びＧｅのそれぞれのバンドギャップの値は、測定法及び測定条件によって多少なりとも変動するが、一般的には、ＦｅＳ2のバンドギャップの値は0.95eVであり、Ｍｇ2Ｓｉのバンドギャップの値は0.77eVであり、Ｚｎ3Ａｓ2のバンドギャップの値は0.86eVであり、Ｇeのバンドギャップの値は0.89eVである。本発明による熱変換部材に含まれる少なくとも１種の半導体がＦｅＳ2、Ｍｇ2Ｓｉ、Ｚｎ3Ａｓ2及びＧｅの群から選ばれる少なくとも２種以上の混合物でもよい。バンドギャップは、光吸収法、及び光電子分光法によって測定をすることができる。
本発明による熱変換部材は、任意の形態でよく、例えば膜状、筒状、板状等の形態が挙げられるが、膜状であることが好ましい。本発明による熱変換部材の膜状の厚みは本発明の効果を奏すれば任意の厚みでよいが、本発明による熱変換部材の膜状が1nm〜10μmの厚さであることが好ましく、5nm〜100nmの厚さであることがより好ましい。
本発明による熱変換部材に含まれる少なくとも１種の半導体の含有率は任意でよいが、例えば、１０ｖｏｌ％以上、２０ｖｏｌ％以上、３０ｖｏｌ％以上、４０ｖｏｌ％以上、５０ｖｏｌ％以上、６０ｖｏｌ％以上、７０ｖｏｌ％以上、８０ｖｏｌ％以上、９０ｖｏｌ％以上、９５ｖｏｌ％以上が挙げられる。
本発明による熱変換部材は、実質的に少なくとも１種の半導体のみからなっていてもよく、その場合の少なくとも１種の半導体の含有率は１００ｖｏｌ％である。
本発明による熱変換部材には、少なくとも１種の半導体以外の任意の材料を含んでもよい。また、本発明による熱変換部材には、少なくとも１種の半導体と透明誘電体とのコンポジット材以外の任意の材料を含んでもよい。
本発明による熱変換部材は、公知である任意の製造方法で得ることができる。例えば、物理気相堆積（ＰＶＤ）、スパッタリング等によって、本発明による熱変換部材は製造され得る。
（２）熱変換積層体
本発明による熱変換積層体は、本発明による膜状の熱変換部材を含む少なくとも１つの層と、金属層とが積層されてなることを特徴とし、金属層と、本発明による膜状の熱変換部材を含む少なくとも１つの層とが、この順序で積層されてもよいし、その順序とは逆の順序で積層されてもよい。
本発明による熱変換積層体は、本発明による膜状の熱変換部材を含む少なくとも１つの層と、金属層とが積層されてなることを特徴とし、金属層と、本発明による膜状の熱変換部材を含む少なくとも１つの層とが、この順序で積層されてもよいし、その順序とは逆の順序で積層されてもよい。
また、本発明による熱変換積層体は、少なくとも、金属層と、本発明による膜状の熱変換部材を含む少なくとも１つの層と、透明誘電体層とが、この順序で積層されてなることを特徴とする。
本発明による熱変換積層体の、本発明による膜状の熱変換部材を含む少なくとも１つの層は、光吸収層として構成されてよく、太陽光の波長が2480nm〜1000nmである範囲において吸収と非吸収との急峻な変化を有するので、200℃〜600℃の熱媒体からの熱輻射による放熱を抑えつつ、太陽光を効率よく吸収することができ、光を熱に効率的に変換することができる。本発明による熱変換積層体の膜状の熱変換部材を含む少なくとも１つの層の厚みは、本発明の効果を奏すれば任意の厚さでよいが、5nm〜100nmの厚さであることが好ましい。本発明による熱変換積層体の膜状の熱変換部材を含む層は、１層でもよいし、複数層でもよい。本発明による熱変換積層体の膜状の熱変換部材を含む少なくとも１つの層には、膜状の熱変換部材以外の任意の材料を含んでもよい。
本発明による熱変換積層体の金属層は、赤外線反射防止層として構成されてよい。本発明による熱変換積層体の金属層は、特に限定されることないが、例えば、モリブデン（Ｍｏ）層、タングステン（Ｗ）層、銀（Ａｇ）層、金（Ａｕ）層、銅（Ｃｕ）層等が挙げられるが、モリブデン（Ｍｏ）層が好ましい。本発明による熱変換積層体の金属層の厚さは本発明の効果を奏すれば任意の厚さでよいが、少なくとも100nm以上の厚さであることが好ましい。
本発明による熱変換積層体の透明誘電体層は、反射防止層として構成されてよい。本発明による熱変換積層体の透明誘電体層は、特に限定されることはないが、例えば、SiO2層、Al2O3、AlN層等が挙げられるが、SiO2層であることが好ましい。本発明による熱変換積層体の透明誘電体層の厚さは本発明の効果を奏すれば任意の厚さでよいが、10nm〜500nmの厚さであることが好ましい。
本発明による熱変換積層体は、公知である任意の製造方法で得ることができる。例えば、物理気相堆積（ＰＶＤ）、スパッタリング等によって、本発明による熱変換積層体は製造され得る。
以下、図２を参照しながら、本発明による熱変換積層体について更に詳細に説明をする。なお、本発明による熱変換積層体は、本発明の目的及び主旨を逸脱しない範囲内で、図２の本発明の実施の形態に限定されるものではない。
図２は、本発明の実施の形態に係る熱変換積層体の１つの態様である、熱変換積層体１を示す図である。本発明の実施の形態に係る熱変換積層体１は、透明誘電体層１１、熱変換部材を含む層（光吸収層）１２及び金属層１３から構成される。そして、熱変換部材を含む層（光吸収層）１２は、半導体１２１と透明誘電体１２２とから構成される。図２に示すように、半導体１２１の粒子は、透明誘電体１２２中に内包されて分散される。
以下、本発明をより具体的に説明するための実施例を提供する。なお、本発明は、その目的及び主旨を逸脱しない範囲で以下の実施例に限定されるものではない。
《Bruggemanの有効媒質近似による実膜特性の再現性についての検証》
Bruggemanの有効媒質近似による実膜特性の再現性について、実施例１及び比較例１を用いて検証をした。
Bruggemanの有効媒質近似による実膜特性の再現性について、実施例１及び比較例１を用いて検証をした。
（実施例１）
Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット単層膜の吸収特性をBruggemanの理論計算を用いて求めた。サーメットは、「Ｍｅｔａｌ（金属）＋Ｃｅｒａｍｉｃ（セラミック）＝Ｃｅｒｍｅｔ（サーメット）」の意味である。
Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット単層膜の吸収特性をBruggemanの理論計算を用いて求めた。サーメットは、「Ｍｅｔａｌ（金属）＋Ｃｅｒａｍｉｃ（セラミック）＝Ｃｅｒｍｅｔ（サーメット）」の意味である。
Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット単層膜の光学定数（ｎ，ｋ）を、Bruggemanの有効媒質近似式（下記の式（１））によって計算をした。Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット中のＭｏ及びＳｉＯ2光学定数は、各成分の単層膜をスパッタリングで成膜し、分光エリプソメータによる測定データおよび分光光度計で測定した反射率特性及び透過率特性から算出した。
式（１）を計算することによって得られたＭｏ−ＳｉＯ2サーメットの光学定数（ｎ，ｋ）を基にして、多層膜近似を用いて、Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット単層膜の吸収率（膜厚３０ｎｍ相当）を計算した。Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット単層膜の吸収特性（計算）の結果を図３に示す。
（比較例１）
Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット単層膜の吸収特性を、実膜（作製膜）を用いて求めた。
Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット単層膜の吸収特性を、実膜（作製膜）を用いて求めた。
温度５００℃〜６００℃に加熱した石英基板に、ＭｏとＳｉＯ2とを同時にスパッタリングすることによって成膜して、Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット単層膜の試料を得た。得られた試料を分光エリプソメータによる測定データ、並びに分光光度計で測定した反射率特性及び透過率特性から、Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメットの光学定数（屈折率n、消衰係数k）を算出した。
算出された、Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメットの光学定数（ｎ，ｋ）を基にして、多層膜近似を用いて、Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット単層膜の吸収率（膜厚３０ｎｍ相当）を計算した。Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット単層膜の吸収特性（実膜）の結果を図４に示す。
<検証結果>
図３及び図４を参照すれば、明らかなとおり、Bruggemanの理論計算による吸収特性の結果（図３）が、実膜（作製膜）の吸収特性結果（図４）をほぼ再現していることを検証することができた。
図３及び図４を参照すれば、明らかなとおり、Bruggemanの理論計算による吸収特性の結果（図３）が、実膜（作製膜）の吸収特性結果（図４）をほぼ再現していることを検証することができた。
《熱変換部材の吸収特性評価》
熱変換部材の吸収特性評価を、実施例２及び比較例２を用いて実施した。
熱変換部材の吸収特性評価を、実施例２及び比較例２を用いて実施した。
（実施例２）
本発明による熱変換部材の吸収特性評価を、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ単層膜、Ｍｇ2Ｓｉ−ＳｉＯ2サーセミ単層膜、Ｇｅ−ＳｉＯ2サーセミ単層膜及びＺｎ3Ａｓ2−ＳｉＯ2サーセミ単層膜を用いて実施をした。サーセミは、「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（半導体）＋Ｃｅｒａｍｉｃ（セラミック）＝Ｃｅｒｓｅｍｉ（サーセミ）」の意味である。
本発明による熱変換部材の吸収特性評価を、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ単層膜、Ｍｇ2Ｓｉ−ＳｉＯ2サーセミ単層膜、Ｇｅ−ＳｉＯ2サーセミ単層膜及びＺｎ3Ａｓ2−ＳｉＯ2サーセミ単層膜を用いて実施をした。サーセミは、「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（半導体）＋Ｃｅｒａｍｉｃ（セラミック）＝Ｃｅｒｓｅｍｉ（サーセミ）」の意味である。
ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ、Ｍｇ2Ｓｉ−ＳｉＯ2サーセミ、Ｇｅ−ＳｉＯ2サーセミ及びＺｎ3Ａｓ2−ＳｉＯ2サーセミのそれぞれの光学定数（ｎ，ｋ）を、Bruggemanの有効媒質近似式（下記の式（２））によって計算をした。ＦｅＳ2、Ｇｅ及びＺｎ3Ａｓ2の光学定数（ns，ks）は、文献「Handbook of Optical Constants of Solids", Edward D. Palik, Academic Press, Boston, 1985」を参考にし、Ｍｇ2Ｓｉの光学定数（ns，ks）は、文献「T. Kato et al., J. Appl. Phys. 110, 063723（2011）」を参考にした。ＳｉＯ2の光学定数（nc ，kc）に関しては、実験データを使用した。
式（２）を、それぞれ計算することによって得られたＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ、Ｍｇ2Ｓｉ−ＳｉＯ2サーセミ、Ｇｅ−ＳｉＯ2サーセミ及びＺｎ3Ａｓ2−ＳｉＯ2サーセミのそれぞれの光学定数（ｎ，ｋ）を基にして、多層膜近似を用いて、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ単層膜、Ｍｇ2Ｓｉ−ＳｉＯ2サーセミ単層膜、Ｇｅ−ＳｉＯ2サーセミ単層膜及びＺｎ3Ａｓ2−ＳｉＯ2サーセミ単層膜のそれぞれの吸収率（膜厚３０ｎｍ相当）を計算した。ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ単層膜、Ｍｇ2Ｓｉ−ＳｉＯ2サーセミ単層膜、Ｇｅ−ＳｉＯ2サーセミ単層膜及びＺｎ3Ａｓ2−ＳｉＯ2サーセミ単層膜の吸収特性の結果を図５〜図８に示す。
（比較例２）
Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット単層膜の吸収特性を評価した。
Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット単層膜の吸収特性を評価した。
Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット単層膜の光学定数（ｎ，ｋ）を、Bruggemanの有効媒質近似式（下記の式（１））によって計算をした。Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット中のＭｏ及びＳｉＯ2光学定数は、各成分の単層膜をスパッタリングで成膜し、分光エリプソメータによる測定データおよび分光光度計で測定した反射率特性及び透過率特性から算出した。
式（１）を計算することによって得られたＭｏ−ＳｉＯ2サーメットの光学定数（ｎ，ｋ）を基にして、多層膜近似を用いて、Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット単層膜の吸収率（膜厚３０ｎｍ相当）を計算した。Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット単層膜の吸収特性の結果を図９に示す。
<評価結果>
図５〜図８及び図９を参照すると、Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット単層膜の吸収特性の結果（図９）は、波長が2480〜1000nmの範囲における光の吸収率の傾きが緩やかであるということを示しているのに対して、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ単層膜、Ｍｇ2Ｓｉ−ＳｉＯ2サーセミ単層膜、Ｇｅ−ＳｉＯ2サーセミ単層膜及びＺｎ3Ａｓ2−ＳｉＯ2サーセミ単層膜の吸収特性の結果（図５〜図８）は、波長が2480〜1000nmの範囲における光の吸収率の傾きが急であることを示して、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ単層膜、Ｍｇ2Ｓｉ−ＳｉＯ2サーセミ単層膜、Ｇｅ−ＳｉＯ2サーセミ単層膜及びＺｎ3Ａｓ2−ＳｉＯ2サーセミ単層膜は２００℃〜６００℃の熱媒体からの熱輻射による放熱を抑えつつ、太陽光を効率よく吸収することが理解できる。
図５〜図８及び図９を参照すると、Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット単層膜の吸収特性の結果（図９）は、波長が2480〜1000nmの範囲における光の吸収率の傾きが緩やかであるということを示しているのに対して、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ単層膜、Ｍｇ2Ｓｉ−ＳｉＯ2サーセミ単層膜、Ｇｅ−ＳｉＯ2サーセミ単層膜及びＺｎ3Ａｓ2−ＳｉＯ2サーセミ単層膜の吸収特性の結果（図５〜図８）は、波長が2480〜1000nmの範囲における光の吸収率の傾きが急であることを示して、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ単層膜、Ｍｇ2Ｓｉ−ＳｉＯ2サーセミ単層膜、Ｇｅ−ＳｉＯ2サーセミ単層膜及びＺｎ3Ａｓ2−ＳｉＯ2サーセミ単層膜は２００℃〜６００℃の熱媒体からの熱輻射による放熱を抑えつつ、太陽光を効率よく吸収することが理解できる。
《熱変換積層体の吸収特性評価及び膜効率評価》
熱変換積層体の吸収特性評価及び膜効率評価を、実施例３及び比較例３を用いて実施した。
熱変換積層体の吸収特性評価及び膜効率評価を、実施例３及び比較例３を用いて実施した。
（実施例３）
本発明による熱変換積層体の吸収特性評価及び膜効率評価を、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体を用いて実施をした。集熱温度５８０℃対応のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の構成は、図１０に示すように、光の入射側からＳｉＯ2層（膜厚７０ｎｍ）−ＦｅＳ2混合率３０％のサーセミ層（膜厚７０ｎｍ）−ＦｅＳ2混合率１００％のサーセミ層（膜厚１５ｎｍ）−Ｍｏ（モリブデン）層（膜厚１００ｎｍ）の4層である。集熱温度４００℃対応のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の構成は、図１１に示すように、光の入射側からＳｉＯ2層（膜厚８０ｎｍ）−ＦｅＳ2混合率３０％のサーセミ層（膜厚７５ｎｍ）−ＦｅＳ2混合率１００％のサーセミ層（膜厚２５ｎｍ）−Ｍｏ（モリブデン）層（膜厚１００ｎｍ）の4層である。集熱温度５８０℃対応のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体及び集熱温度４００℃対応のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体は、後述する膜効率が最高値を示すように膜構成（ＦｅＳ2混合率及び膜厚）を設定した。
本発明による熱変換積層体の吸収特性評価及び膜効率評価を、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体を用いて実施をした。集熱温度５８０℃対応のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の構成は、図１０に示すように、光の入射側からＳｉＯ2層（膜厚７０ｎｍ）−ＦｅＳ2混合率３０％のサーセミ層（膜厚７０ｎｍ）−ＦｅＳ2混合率１００％のサーセミ層（膜厚１５ｎｍ）−Ｍｏ（モリブデン）層（膜厚１００ｎｍ）の4層である。集熱温度４００℃対応のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の構成は、図１１に示すように、光の入射側からＳｉＯ2層（膜厚８０ｎｍ）−ＦｅＳ2混合率３０％のサーセミ層（膜厚７５ｎｍ）−ＦｅＳ2混合率１００％のサーセミ層（膜厚２５ｎｍ）−Ｍｏ（モリブデン）層（膜厚１００ｎｍ）の4層である。集熱温度５８０℃対応のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体及び集熱温度４００℃対応のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体は、後述する膜効率が最高値を示すように膜構成（ＦｅＳ2混合率及び膜厚）を設定した。
集熱温度５８０℃対応のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体及び集熱温度４００℃対応のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ層の光学定数（ｎ，ｋ）は、実施例２における光学定数（ｎ，ｋ）の計算方法と全く同様な計算方法で求めた。Ｍｏの光学定数（ｎ，ｋ）は、文献「Handbook of Optical Constants of Solids", Edward D. Palik, Academic Press, Boston, 1985」を参考にした。ＳｉＯ2の光学定数（nc ，kc）に関しては、実験データを使用した。
集熱温度５８０℃対応のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の吸収率を、ＳｉＯ2層（膜厚７０ｎｍ）の光学定数（nc ，kc）、ＦｅＳ2混合率３０％のサーセミ層（膜厚７０ｎｍ）の光学定数（ｎ，ｋ）、ＦｅＳ2混合率１００％のサーセミ層（膜厚１５ｎｍ）の光学定数（ｎ，ｋ）、及びＭｏ（モリブデン）層（膜厚１００ｎｍ）の光学定数（ｎ，ｋ）を基にして、多層膜近似を用いて計算をした。集熱温度５８０℃対応のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の吸収特性の結果を図１２に示す。
同様に、集熱温度４００℃対応のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の吸収率を、ＳｉＯ2層（膜厚８０ｎｍ）の光学定数（nc ，kc）、ＦｅＳ2混合率３０％のサーセミ層（膜厚７５ｎｍ）の光学定数（ｎ，ｋ）、ＦｅＳ2混合率１００％のサーセミ層（膜厚２５ｎｍ）の光学定数（ｎ，ｋ）、及びＭｏ（モリブデン）層（膜厚１００ｎｍ）の光学定数（ｎ，ｋ）を基にして、多層膜近似を用いて計算をした。集熱温度４００℃対応のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の吸収特性の結果を図１３に示す。
次に、集熱温度５８０℃対応のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体及び集熱温度４００℃対応のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の膜効率ηを、下記の式（３）により求めた。なお、膜効率ηとは太陽光‐熱変換の機能を表す指数である。
集熱温度５８０℃対応のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の膜効率ηの結果を図１４に示す。集熱温度４００℃対応のＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の膜効率ηの結果を図１５に示す。
（比較例３）
Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の吸収特性評価及び膜効率評価を実施した。集熱温度５８０℃対応のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の構成は、図１６に示すように、光の入射側からＳｉＯ2層（膜厚８０ｎｍ）−Ｍｏ混合率４０％のサーメット層（膜厚４０ｎｍ）−Ｍｏ混合率５０％のサーメット層（膜厚２５ｎｍ）−Ｍｏ（モリブデン）層（膜厚１００ｎｍ）の4層である。集熱温度４００℃対応のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の構成は、図１７に示すように、光の入射側からＳｉＯ2層（膜厚９０ｎｍ）−Ｍｏ混合率３０％のサーメット層（膜厚５０ｎｍ）−Ｍｏ混合率５０％のサーメット層（膜厚５０ｎｍ）−Ｍｏ（モリブデン）層（膜厚１００ｎｍ）の4層である。集熱温度５８０℃対応のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体及び集熱温度４００℃対応のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体は、後述する膜効率が最高値を示すように膜構成（ＦｅＳ2混合率及び膜厚）を設定した。
Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の吸収特性評価及び膜効率評価を実施した。集熱温度５８０℃対応のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の構成は、図１６に示すように、光の入射側からＳｉＯ2層（膜厚８０ｎｍ）−Ｍｏ混合率４０％のサーメット層（膜厚４０ｎｍ）−Ｍｏ混合率５０％のサーメット層（膜厚２５ｎｍ）−Ｍｏ（モリブデン）層（膜厚１００ｎｍ）の4層である。集熱温度４００℃対応のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の構成は、図１７に示すように、光の入射側からＳｉＯ2層（膜厚９０ｎｍ）−Ｍｏ混合率３０％のサーメット層（膜厚５０ｎｍ）−Ｍｏ混合率５０％のサーメット層（膜厚５０ｎｍ）−Ｍｏ（モリブデン）層（膜厚１００ｎｍ）の4層である。集熱温度５８０℃対応のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体及び集熱温度４００℃対応のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体は、後述する膜効率が最高値を示すように膜構成（ＦｅＳ2混合率及び膜厚）を設定した。
集熱温度５８０℃対応のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体及び集熱温度４００℃対応のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット層の光学定数（ｎ，ｋ）は、比較例２における光学定数（ｎ，ｋ）の計算方法と全く同様な計算方法で求めた。Ｍｏの光学定数（ｎ，ｋ）は、文献「Handbook of Optical Constants of Solids", Edward D. Palik, Academic Press, Boston, 1985」を参考にした。ＳｉＯ2の光学定数（nc ，kc）に関しては、実験データを使用した。
集熱温度５８０℃対応のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の吸収率を、ＳｉＯ2層（膜厚８０ｎｍ）の光学定数（nc ，kc）、Ｍｏ混合率４０％のサーメット層（膜厚４０ｎｍ）の光学定数（ｎ，ｋ）、Ｍｏ混合率５０％のサーメット層（膜厚２５ｎｍ）の光学定数（ｎ，ｋ）、及びＭｏ（モリブデン）層（膜厚１００ｎｍ）の光学定数（ｎ，ｋ）を基にして、多層膜近似を用いて計算をした。集熱温度５８０℃対応のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の吸収特性の結果を図１２に示す。
同様に、集熱温度４００℃対応のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の吸収率を、ＳｉＯ2層（膜厚９０ｎｍ）の光学定数（nc ，kc）、Ｍｏ混合率３０％のサーメット層（膜厚５０ｎｍ）の光学定数（ｎ，ｋ）、Ｍｏ混合率５０％のサーメット層（膜厚５０ｎｍ）の光学定数（ｎ，ｋ）、及びＭｏ（モリブデン）層（膜厚１００ｎｍ）の光学定数（ｎ，ｋ）を基にして、多層膜近似を用いて計算をした。集熱温度４００℃対応のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の吸収特性の結果を図１３に示す。
次に、集熱温度５８０℃対応のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体及び集熱温度４００℃対応のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の膜効率ηを、下記の式（３）により求めた。
集熱温度５８０℃対応のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の膜効率ηの結果を図１４に示す。集熱温度４００℃対応のＭｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の膜効率ηの結果を図１５に示す。
<評価結果>
図１２及び図１３を参照すると、集熱温度５８０℃対応及び集熱温度４００℃対応において、Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の吸収特性の結果は、波長が2480〜1000nmの範囲における光の吸収率の傾きが緩やかであるということを示しているのに対して、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の吸収特性の結果は、波長が2480〜1000nmの範囲における光の吸収率の傾きが急であることを示して、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体は２００℃〜６００℃の熱媒体からの熱輻射による放熱を抑えつつ、太陽光を効率よく吸収することが理解できる。図１４を参照すると、集熱温度５８０℃対応において、Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の膜効率ηが、８２．６％であるのに対して、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の膜効率ηは、８４．５％であり、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の膜効率ηは、Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の膜効率ηに対して優った。図１５を参照すると、集熱温度４００℃対応において、Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の膜効率ηが、９０．５％であるのに対して、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の膜効率ηは、９０．３％であり、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の膜効率ηと、Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の膜効率ηとは同レベルであった。
図１２及び図１３を参照すると、集熱温度５８０℃対応及び集熱温度４００℃対応において、Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の吸収特性の結果は、波長が2480〜1000nmの範囲における光の吸収率の傾きが緩やかであるということを示しているのに対して、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の吸収特性の結果は、波長が2480〜1000nmの範囲における光の吸収率の傾きが急であることを示して、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体は２００℃〜６００℃の熱媒体からの熱輻射による放熱を抑えつつ、太陽光を効率よく吸収することが理解できる。図１４を参照すると、集熱温度５８０℃対応において、Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の膜効率ηが、８２．６％であるのに対して、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の膜効率ηは、８４．５％であり、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の膜効率ηは、Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の膜効率ηに対して優った。図１５を参照すると、集熱温度４００℃対応において、Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の膜効率ηが、９０．５％であるのに対して、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の膜効率ηは、９０．３％であり、ＦｅＳ2−ＳｉＯ2サーセミ積層体の膜効率ηと、Ｍｏ−ＳｉＯ2サーメット積層体の膜効率ηとは同レベルであった。
１ 熱変換積層体
１１ 透明誘電体層
１２ 熱変換部材を含む層（光吸収層）
１３ 金属層
１２１ 半導体
１２２ 透明誘電体
１１ 透明誘電体層
１２ 熱変換部材を含む層（光吸収層）
１３ 金属層
１２１ 半導体
１２２ 透明誘電体
Claims (10)
- 少なくとも１種の半導体を含む熱変換部材であって、
該半導体のバンドギャップが0.5eV以上1.2eV以下である、
熱変換部材。 - 少なくとも１種の半導体と透明誘電体とのコンポジット材を含む熱変換部材であって、
該半導体のバンドギャップが0.5eV以上1.2eV以下である、
熱変換部材。 - 前記半導体がFeS2を含む、請求項１又は２に記載の熱変換部材。
- 前記半導体がMg2Siを含む、請求項１又は２に記載の熱変換部材。
- 前記半導体がZn3As2を含む、請求項１又は２に記載の熱変換部材。
- 前記半導体がGeを含む、請求項１又は２に記載の熱変換部材。
- 膜状である、請求項１から６のいずれか１項に記載の熱変換部材。
- 前記膜状が1nmから10μmの厚さである、請求項７に記載の熱変換部材。
- 少なくとも、請求項７又は８に記載の熱変換部材を含む少なくとも１つの層と、金属層とが積層されてなる、熱変換積層体。
- 少なくとも、金属層と、請求項７又は８に記載の熱変換部材を含む少なくとも１つの層と、透明誘電体層とが、この順序で積層されてなる、熱変換積層体。
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