JP2008300626A - Near field light power generation element and near field light power generator - Google Patents

Near field light power generation element and near field light power generator Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a near field light power generation element for generating power with near field light in an infrared-ray area, and to provide a near field light power generator. <P>SOLUTION: The power generation element for generating power with the near field light in the infrared-ray area which is generated in the neighborhood of an infrared-ray radiation body includes a power generation part arranged by opposing the infrared-ray radiation body and by elongation to have a distance to exhibit a significant near field light effect. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、赤外線領域の近接場光によって発電を行う近接場光発電素子および近接場光発電装置に関する。   The present invention relates to a near-field photovoltaic power generation element and a near-field photovoltaic power generation apparatus that generate power using near-field light in an infrared region.

既存の1kW級のディーゼルエンジンやガスエンジンによるコジェネレーションシステムにおいて、発電効率は約20〜30%程度であり、一方、排ガスによって放出される排熱はおよそ50〜60%である。この排熱エネルギは給湯や暖房などに供されるが、一般の家庭あるいは中規模の熱電併給システムでは熱余り状態である。そのうえ排ガス温度が600〜700℃程度と比較的低いので、温水以外での排熱回収が困難となっているのが現状である。また、発電効率が高くなるほど排熱温度は低くなり、ますます排熱を利用したエネルギ回収は困難となる。   In a cogeneration system using an existing 1 kW class diesel engine or gas engine, the power generation efficiency is about 20 to 30%, while the exhaust heat released by the exhaust gas is about 50 to 60%. This waste heat energy is used for hot water supply, heating, etc., but in a general home or a medium-scale combined heat and power supply system, it is in a state of excess heat. In addition, since the exhaust gas temperature is relatively low at about 600 to 700 ° C., it is difficult to recover exhaust heat other than hot water. Moreover, the higher the power generation efficiency, the lower the exhaust heat temperature, and it becomes increasingly difficult to recover energy using the exhaust heat.

ところで、通常、物体の表面からは、表面温度の4乗に比例する強度の赤外線が放射される(伝播光)。また、この伝播光に加えて表面の近傍では近接場光がその波長以下の近接した領域に発生し、その電界強度は、表面に近づくにつれて高くなり、前記伝播光の強度の100〜1000倍にも達すると従来から予測されている。そこで、厚さ80nmの金ディスクを200℃まで加熱し、タングステンプローブを金ディスクの近接場領域まで近づけ、発生している近接場光を散乱させ、その散乱光をカセグレンレンズで集光し、その強度を検出する試みがなされた(非特許文献1)。   By the way, normally, infrared rays having an intensity proportional to the fourth power of the surface temperature are emitted from the surface of the object (propagating light). In addition to this propagating light, near-field light is generated in the vicinity of the wavelength in the vicinity of the surface, and the electric field strength increases as it approaches the surface, which is 100 to 1000 times the intensity of the propagating light. It is predicted from the past that it will reach. Therefore, a gold disk with a thickness of 80 nm is heated to 200 ° C., the tungsten probe is brought close to the near-field region of the gold disk, the generated near-field light is scattered, and the scattered light is collected by a Cassegrain lens. An attempt was made to detect the intensity (Non-Patent Document 1).

また、非特許文献2には、インジウム・ガリウム・ヒ素系の光起電力電池などを、発熱体との間にシリカ製のスペーサを挟んで、発熱体に0.2μmの距離まで近づけて近接場光による発電を行ったことが報告されている。
Nature, Letters, Vol.444, 7 Dec., 2006, pp.740-743| doi:10.1038/nature05265 Thermophotovoltaic Generation of Electiricity, 6th Conf. on TPV Gen. Electricity, Freiburg, Germany, 14-16, June, 2004, pp.42-51| AIP Conf. Proc. vol.738
In Non-Patent Document 2, an indium, gallium, arsenic photovoltaic cell or the like is placed near the heating element with a silica spacer between the heating element and a distance of 0.2 μm. It has been reported that electricity was generated by light.
Nature, Letters, Vol.444, 7 Dec., 2006, pp.740-743 | doi: 10.1038 / nature05265 Thermophotovoltaic Generation of Electiricity, 6th Conf. On TPV Gen. Electricity, Freiburg, Germany, 14-16, June, 2004, pp.42-51 | AIP Conf. Proc. Vol.738

しかし、前記の試みでは、スペーサを通して光起電力電池に熱が伝導するため、長時間、光起電力電池をスペーサを介して発熱体に接触させていると光起電力電池が熱によって破損する問題が避けられなかった。そこで、光起電力電池の温度が高くなる前に、光起電力電池を発熱体から遠ざける方法も試されているが、赤外線の近接場効果による発電を明確に実証する結果は、今まで報告されていなかった。   However, in the above attempt, since heat is conducted to the photovoltaic cell through the spacer, there is a problem that the photovoltaic cell is damaged by heat when the photovoltaic cell is in contact with the heating element through the spacer for a long time. Was inevitable. Therefore, a method of moving the photovoltaic cell away from the heating element before the temperature of the photovoltaic cell rises has been tried, but the results clearly demonstrating the power generation by the infrared near-field effect have been reported so far. It wasn't.

そこで、本発明の課題は、前記した問題を解決し、赤外線領域の近接場光によって発電を行う近接場光発電素子および近接場光発電装置を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide a near-field photovoltaic element and a near-field photovoltaic power generation apparatus that generate power by using near-field light in the infrared region.

前記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、赤外線放射体の近傍に発生する赤外線領域の近接場光によって発電を行う発電素子であって、前記赤外線放射体に対して、前記近接場光の効果が顕著となる距離に離隔して対面配置された発電部を備えることを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 is a power generation element that generates power by near-field light in an infrared region generated in the vicinity of an infrared radiator, and the near-field with respect to the infrared radiator. It is characterized by comprising a power generation unit arranged facing to a distance where the effect of light becomes significant.

この近接場光発電素子では、赤外線放射体に対して、近接場光の効果が顕著となる距離に離隔して対面配置された発電部によって、赤外線放射体の近傍に発生する赤外線領域の近接場光を電気に変換することが可能となる。   In this near-field photovoltaic power generation element, a near-field in the infrared region generated in the vicinity of the infrared radiator by a power generation unit arranged facing the infrared radiator at a distance where the effect of near-field light becomes significant. It becomes possible to convert light into electricity.

請求項2に係る発明は、前記発電部が、GaSb系化合物半導体、GaInAs系化合物半導体、GaInAsSb系化合物半導体、InPAsSb系化合物半導体から選ばれる少なくとも1種の化合物半導体からなるものであることを特徴とする。   The invention according to claim 2 is characterized in that the power generation unit is made of at least one compound semiconductor selected from a GaSb-based compound semiconductor, a GaInAs-based compound semiconductor, a GaInAsSb-based compound semiconductor, and an InPAsSb-based compound semiconductor. To do.

この近接場光発電素子では、GaSb系化合物半導体、GaInAs系化合物半導体、GaInAsSb系化合物半導体、InPAsSb系化合物半導体から選ばれる少なくとも1種の化合物半導体からなる発電部によって、赤外線放射体の近傍に発生する赤外線領域の近接場光を電気に変換することが可能となる。   In this near-field photovoltaic device, a power generation unit made of at least one compound semiconductor selected from a GaSb-based compound semiconductor, a GaInAs-based compound semiconductor, a GaInAsSb-based compound semiconductor, and an InPAsSb-based compound semiconductor generates near the infrared emitter. It is possible to convert near-field light in the infrared region into electricity.

請求項3に係る発明は、前記赤外線放射体によって加熱され、前記発電部に入射して発電が可能な波長の近接場光を発生する波長選択エミッタを備えることを特徴とする。   The invention according to claim 3 is characterized by comprising a wavelength selective emitter that is heated by the infrared radiator and that generates near-field light having a wavelength that can be generated by being incident on the power generation unit.

この近接場光発電素子では、赤外線放射体に配置された波長選択エミッタによって、赤外線放射体の近傍に発生する近接場光の波長を調整して、発電部が発電可能な波長の近接場光を発電部に入射させて効率的に電気に変換することが可能となる。   In this near-field photovoltaic power generation element, the wavelength of the near-field light generated in the vicinity of the infrared radiator is adjusted by the wavelength selective emitter disposed in the infrared radiator, and the near-field light having a wavelength that can be generated by the power generation unit is generated. It can be efficiently converted into electricity by being incident on the power generation unit.

請求項4に係る発明は、前記波長選択エミッタは、前記発電部に対面する側に前記近接場光の波長の半波長と同程度の大きさのキャビティサイズを有するマイクロキャビティを備えることを特徴とする。   The invention according to claim 4 is characterized in that the wavelength selective emitter includes a microcavity having a cavity size approximately equal to a half wavelength of the wavelength of the near-field light on the side facing the power generation unit. To do.

この近接場光発電素子は、発電部に対面する側に前記近接場光の波長の半波長と同程度の大きさのキャビティサイズを有するマイクロキャビティを有することによって、赤外線放射体の近傍に発生する近接場光の波長を調整して発電部が発電可能な波長の近接場光を発電部に入射させて効率的に電気に変換することが可能となる。   This near-field photovoltaic power generation element is generated in the vicinity of the infrared radiator by having a microcavity having a cavity size approximately the same as the half wavelength of the wavelength of the near-field light on the side facing the power generation unit. The near-field light having a wavelength that can be generated by the power generation unit by adjusting the wavelength of the near-field light is incident on the power generation unit and can be efficiently converted into electricity.

請求項5に係る発明は、前記の近接場光発電素子を赤外線放射体の周囲に直列および/または並列に配置してなる電池部を有することを特徴とする近接場光発電装置を提供する。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a near-field photovoltaic power generation apparatus comprising a battery unit in which the near-field photovoltaic power generation elements are arranged in series and / or in parallel around an infrared radiator.

この近接場光発電装置では、前記の近接場光発電素子を赤外線放射体の周囲に直列および/または並列に配置してなる電池部によって、前記赤外線放射体の近傍に発生する赤外線領域の近接場光によって発電を行うことができる。   In this near-field photovoltaic power generation device, the near-field photovoltaic power generation element is arranged in series and / or in parallel around the infrared radiator, and the near-field in the infrared region generated in the vicinity of the infrared radiator. Electricity can be generated by light.

本発明の近接場光発電素子は、赤外線放射体の近傍に発生する赤外線領域の近接場光を電気に変換して発電することができる。そのため、本発明の近接場光発電素子は、例えば、携帯電話の電源や家庭用小型発電機、工場から出る排熱を利用した業務用の発電機など様々な機器に配備して、これらの機器から排出される熱エネルギを利用して発電を行うための発電素子として有用である。   The near-field photovoltaic device of the present invention can generate electricity by converting near-field light in the infrared region generated in the vicinity of the infrared radiator into electricity. Therefore, the near-field photovoltaic power generation element of the present invention is deployed in various devices such as a mobile phone power source, a small household generator, and a commercial generator using exhaust heat from a factory. It is useful as a power generation element for generating power using the thermal energy discharged from the.

本発明の近接場光発電装置は、赤外線放射体の近傍に発生する赤外線領域の近接場光によって発電を行うことができる。例えば、ディーゼルエンジンやガスエンジンで電気と熱を供給するコジェネレーションシステムにおいて、排気ガスが有する熱エネルギを、近接場光を介して電気エネルギに変換して発電することができる。これによって、コジェネレーションシステム全体のエネルギ変換効率を向上させることができ、従来のコジェネレーションシステムにおいて、温水として給湯や暖房に利用され、残余は利用されずに排出されていた排熱エネルギを容易に電気に変換して有効に利用することが可能となる。これによって、エンジンによる電力量をベースとして、より多く電気が必要である場合には、本発明の近接場光発電素子または近接場光発電装置による排熱発電により電気を、熱が必要である場合には、スイッチひとつで排熱発電を止めて、給湯や暖房に配分する、といった、熱と電気の供給バランスを自在に変えることができる柔軟なコジェネシステムを構築することができる。   The near-field photovoltaic power generation apparatus of the present invention can generate power using near-field light in the infrared region generated in the vicinity of the infrared radiator. For example, in a cogeneration system that supplies electricity and heat with a diesel engine or a gas engine, the heat energy of the exhaust gas can be converted into electric energy via near-field light to generate electricity. As a result, the energy conversion efficiency of the entire cogeneration system can be improved, and in the conventional cogeneration system, the waste heat energy that is used as hot water for hot water supply or heating and is discharged without using the remainder can be easily obtained. It can be used effectively by converting to electricity. Thus, when more electricity is required based on the amount of electric power from the engine, electricity is required for heat generation by waste heat power generation using the near-field photovoltaic power generation element or near-field photovoltaic power generation device of the present invention. It is possible to construct a flexible cogeneration system that can freely change the supply balance between heat and electricity, such as stopping exhaust heat power generation with a single switch and allocating it to hot water supply or heating.

以下、本発明の近接場光発電素子(以下、「本発明の素子」という)および近接場光発電装置について詳細に説明する。
本発明の素子は、赤外線放射体に対して対面配置された発電部を有し、その発電部のp型半導体部によって、赤外線放射体の近傍に発生する赤外線領域の近接場光を電気に変換するものである。
Hereinafter, the near-field photovoltaic power generation element (hereinafter referred to as “the element of the present invention”) and the near-field photovoltaic power generation apparatus of the present invention will be described in detail.
The element of the present invention has a power generation unit arranged facing the infrared radiator, and converts the near-field light in the infrared region generated in the vicinity of the infrared radiator to electricity by the p-type semiconductor unit of the power generation unit. To do.

本発明において、赤外線放射体は、発電部によって発電可能な赤外線領域の近接場光を発生可能なものであれば、特に制限されない。特に、排熱によって加熱される部位、部材、部分等を赤外線放射体として、この排熱によって加熱された部位等の表面近傍に発生する赤外線領域の近接場光を利用して発電を行う場合に、本発明の素子は有用である。例えば、定置型のコジェネレーションシステムにおけるガスタービン、デーゼルエンジン、ガスエンジン等の内燃機関の排ガス路、あるいは乗用車、バス、トラック等の移動用自動車に搭載される内燃機関の排ガス路、また、鉄鋼業における均熱炉や予熱炉の炉壁、ガラス溶融炉における炉壁、さらに、各種の燃焼炉における炉壁などの、例えば、600℃程度以上の温度に加熱される部位、部材、部分等である。本発明の素子は、この赤外線放射体の外面近傍に発生する赤外線領域の近接場光によって発電を行うものである。   In the present invention, the infrared radiator is not particularly limited as long as it can generate near-field light in an infrared region that can be generated by the power generation unit. In particular, when generating power by using near-field light in the infrared region generated near the surface of the part or the like heated by the exhaust heat, using the part, member, part, etc. heated by the exhaust heat as an infrared radiator. The device of the present invention is useful. For example, exhaust gas passages of internal combustion engines such as gas turbines, diesel engines, gas engines, etc. in stationary cogeneration systems, or exhaust gas passages of internal combustion engines mounted on moving automobiles such as passenger cars, buses, trucks, etc. For example, a furnace wall of a soaking furnace or preheating furnace, a furnace wall of a glass melting furnace, a furnace wall of various combustion furnaces, etc. . The element of the present invention generates power by using near-field light in the infrared region generated near the outer surface of the infrared radiator.

また、発電部は、赤外線放射体に対して対面する側に設けられ、赤外線放射体の近傍に発生する赤外線領域の近接場光を電気に変換するものである。この発電部は、前記赤外線放射体に対して、赤外線放射体の近傍に発生する近接場光の効果が顕著となる距離に離隔して対面配置される。ここで、近接場光の効果が顕著となる距離とは、入射する近接場光によって発電部が発電可能な距離を言う。例えば、赤外線領域の近接場光に対しては、数十nm程度の距離を言う。赤外線放射体に対して、発電部を、近接場光の波長と同程度の距離に配置して、その赤外線放射体と発電部との間の距離を一定に保持する方法としては、例えば、赤外線放射体と、発電部の表面に設けた集電電極との間の静電容量等を検知し、検知された静電容量等に基づいて、赤外線放射体と発電部との間の距離を計測し、その計測された距離に基づいて、赤外線放射体と発電部とを平行かつ所定の距離に保つ方法、あるいは、後記の図2(A)に示すように、ピエゾアクチュエータ等を介して発電部を支持し、発電部における発電電力に応じて発電部と赤外線放射体の間の距離を一定に保持する方法などを採用することができる。これらの方法によって、赤外線放射体と発電部とを、完全に独立に駆動し、平行を保ちながら、両者の間にナノ・オーダーの隙間を設けて、長時間、近接場光による発電を行うことが可能となる。このとき、赤外線放射体と発電部との間の空間は、気体の熱伝導による熱移動を避けるため、真空にすることが好ましい。   The power generation unit is provided on the side facing the infrared radiator, and converts near-field light in the infrared region generated in the vicinity of the infrared radiator into electricity. The power generation unit is disposed facing the infrared radiator so as to be separated by a distance where the effect of near-field light generated in the vicinity of the infrared radiator becomes significant. Here, the distance at which the effect of near-field light is significant refers to the distance that the power generation unit can generate power with incident near-field light. For example, for near-field light in the infrared region, the distance is about several tens of nm. As a method of arranging the power generation unit at a distance similar to the wavelength of the near-field light with respect to the infrared radiator and keeping the distance between the infrared radiator and the power generation unit constant, for example, infrared Detects the capacitance between the radiator and the collector electrode provided on the surface of the power generation unit, and measures the distance between the infrared radiator and the power generation unit based on the detected capacitance Then, based on the measured distance, a method of keeping the infrared radiator and the power generation unit parallel and at a predetermined distance, or a power generation unit via a piezo actuator or the like as shown in FIG. And a method of keeping the distance between the power generation unit and the infrared radiator constant according to the generated power in the power generation unit can be adopted. By these methods, the infrared emitter and power generation unit are driven completely independently, and while maintaining parallelism, a nano-order gap is provided between the two to generate power using near-field light for a long time. Is possible. At this time, the space between the infrared radiator and the power generation unit is preferably a vacuum in order to avoid heat transfer due to heat conduction of gas.

この発電部は、赤外線放射体から入射する赤外線領域の近接場光によって発電できるものであれば、特に制限されない、例えば、GaSb系化合物半導体、GaInAs系化合物半導体、GaInAsSb系化合物半導体、InPAsSb系化合物半導体から選ばれる少なくとも1種の化合物半導体からなるものが挙げられる。また、これらの化合物半導体は、アンドープまたはZnやBe等のドーパントを適宜ドープしたものでもよい。これらの中でも、GaSb系化合物半導体は、波長1.8μm(カットオフ波長)以下の近接場光によって発電が可能なものである。また、GaInAs系化合物半導体は、式:Ga1−xInAs(xは正の数)で表される組成を有し、波長2.5μm(カットオフ波長)以下の近接場光によって発電が可能なものである。さらに、GaInAsSb系化合物半導体は、波長2.5μm(カットオフ波長)以下の近接場光によって発電が可能なものである。また、InPAsSb系化合物半導体は、波長3.5μm(カットオフ波長)以下の近接場光によって発電が可能なものである。これらの化合物半導体は、赤外線放射体の近傍に発生する近接場光の波長、波長分布等に応じて適宜選択することができる。 The power generation unit is not particularly limited as long as it can generate power by using near-field light in an infrared region incident from an infrared radiator. And at least one compound semiconductor selected from the group consisting of: These compound semiconductors may be undoped or appropriately doped with a dopant such as Zn or Be. Among these, the GaSb-based compound semiconductor can generate power by near-field light having a wavelength of 1.8 μm (cutoff wavelength) or less. In addition, a GaInAs-based compound semiconductor has a composition represented by the formula: Ga 1-x In x As (x is a positive number), and power is generated by near-field light having a wavelength of 2.5 μm (cutoff wavelength) or less. It is possible. Furthermore, the GaInAsSb-based compound semiconductor can generate power with near-field light having a wavelength of 2.5 μm (cutoff wavelength) or less. The InPAsSb-based compound semiconductor can generate power with near-field light having a wavelength of 3.5 μm (cutoff wavelength) or less. These compound semiconductors can be appropriately selected according to the wavelength, wavelength distribution, and the like of near-field light generated in the vicinity of the infrared radiator.

また、本発明の素子において、赤外線放射体と発電部の間に、赤外線放射体によって加熱され、前記発電部に入射して発電が可能な波長の近接場光を発生する波長選択エミッタを備えると、好ましい。この波長選択エミッタによって、赤外線放射体の近傍に発生する近接場光の波長を調整して、発電部が発電可能な波長の近接場光を発電部に入射させて近接場光を効率的に電気に変換することが可能となる。特に、この波長選択エミッタは、前記発電部に対面する側に前記近接場光の波長の半波長と同程度の大きさのキャビティサイズL(開口面が立方体状のキャビティの側辺の長さ)で構成されるマイクロキャビティを有する構造のものが好ましい。このマイクロキャビティは、金属表面に光リソグラフィと高速原子線エッチング(FAB)で刻設されていてもよいし、用いる金属の種類によっては、シリコンに光リソグラフィによって、マイクロキャビティに応じた凸部を有する型を作製した後、電解鋳造で反転写することによって形成されていてもよい。この溝部を有する構造の波長選択エミッタによって、赤外線放射体の近傍に発生する近接場光の波長を調整して発電部が発電可能な波長の近接場光を発電部に入射させて近接場光を効率的に電気に変換することが可能となる。   Further, in the element of the present invention, between the infrared radiator and the power generation unit, a wavelength selective emitter that is heated by the infrared radiator and is incident on the power generation unit and generates near-field light with a wavelength that can be generated is provided. ,preferable. This wavelength selective emitter adjusts the wavelength of the near-field light generated in the vicinity of the infrared radiator, and makes the near-field light having a wavelength that can be generated by the power generation unit incident on the power generation unit to efficiently generate the near-field light. It becomes possible to convert to. In particular, the wavelength selective emitter has a cavity size L (the length of the side of the cavity whose opening surface is a cubic shape) on the side facing the power generation unit, which is about the same as the half wavelength of the wavelength of the near-field light. The thing of the structure which has a microcavity comprised by these is preferable. This microcavity may be engraved on the metal surface by photolithography and fast atomic beam etching (FAB), and depending on the type of metal used, silicon has a projection corresponding to the microcavity by photolithography. After producing the mold, it may be formed by reverse transfer by electrolytic casting. The wavelength selective emitter having a structure having the groove adjusts the wavelength of near-field light generated in the vicinity of the infrared radiator and causes the near-field light having a wavelength that can be generated by the power generation unit to be incident on the power generation unit. It can be efficiently converted into electricity.

また、本発明の近接場光発電装置は、赤外線放射体の周囲に本発明の素子からなる電池部を直列および/または並列に配置してなる構成を有するものである。この電池部は、赤外線放射体の形態に合わせて、所要の電圧または電流が得られるように、赤外線放射体の周囲に直列および/または並列に本発明の素子からなる電池部を配置して構成される。このとき、本発明の素子は、赤外線放射体の形態に合わせて発電部および波長選択エミッタ等の形態を選択することができる。例えば、赤外線放射体が円筒状の排気ガス路である場合には、その排気ガス路を被覆するように円筒状に形成された発電部および波長選択エミッタを有する近接場光発電素子を有する発電装置を構成することができる。   Moreover, the near-field photovoltaic power generation apparatus of this invention has the structure formed by arrange | positioning the battery part which consists of an element of this invention in series and / or parallel around the infrared radiator. This battery part is configured by arranging battery parts comprising the element of the present invention in series and / or in parallel around the infrared radiator so that a required voltage or current can be obtained in accordance with the form of the infrared radiator. Is done. At this time, the element of the present invention can select forms such as a power generation unit and a wavelength selection emitter according to the form of the infrared radiator. For example, when the infrared radiator is a cylindrical exhaust gas path, the power generation apparatus includes a near-field photovoltaic power generation element having a power generation unit and a wavelength selection emitter that are formed in a cylindrical shape so as to cover the exhaust gas path Can be configured.

以下、この近接場光発電素子および近接場光発電装置の実施形態に基づいて、本発明を具体的かつ詳細に説明する。
図1(A)は、本発明の実施形態に係る近接場光発電素子の構造を示す分解斜視図、図1(B)は、その近接場光発電素子の断面模式図である。
図1に示す近接場光発電素子1は、発電部2と、発電部2に対面して配置される波長選択エミッタ3とを有するものである。
Hereinafter, the present invention will be described specifically and in detail based on embodiments of the near-field photovoltaic device and the near-field photovoltaic device.
FIG. 1A is an exploded perspective view showing a structure of a near-field photovoltaic device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of the near-field photovoltaic device.
A near-field photovoltaic device 1 shown in FIG. 1 includes a power generation unit 2 and a wavelength selective emitter 3 disposed so as to face the power generation unit 2.

発電部2は、n型半導体部6と、n型半導体部6の波長選択エミッタ3に対面する側に形成されたp型半導体部5とを有する。n型半導体部6は、Teがドープされたn型GaSb等で形成される。このn型半導体部6は、チョクラルスキー法等によって作製でき、市販されているものを用いてもよいし、Ge/Au金属間化合物基板に分子線エピタキシャル成長によって形成されたものでもよい。また、p型半導体部5は、n型半導体部6の表面に、GaSb、ZnドープGaSb、BeドープGaSbを分子線エピタキシャル成長させる方法、あるいはn型のGaSb層に600℃の恒温槽内でZnを拡散させる方法などによって形成することができる。p型半導体部5を構成する化合物半導体からなる膜は、通常、200nm〜1000nm程度の膜厚に形成される。   The power generation unit 2 includes an n-type semiconductor unit 6 and a p-type semiconductor unit 5 formed on the side of the n-type semiconductor unit 6 facing the wavelength selective emitter 3. The n-type semiconductor unit 6 is formed of n-type GaSb doped with Te. The n-type semiconductor portion 6 can be manufactured by a Czochralski method or the like, and a commercially available one may be used, or one formed by molecular beam epitaxial growth on a Ge / Au intermetallic compound substrate. The p-type semiconductor part 5 is formed by molecular beam epitaxial growth of GaSb, Zn-doped GaSb, or Be-doped GaSb on the surface of the n-type semiconductor part 6 or Zn in an n-type GaSb layer in a 600 ° C. thermostat. It can be formed by a diffusion method or the like. A film made of a compound semiconductor constituting the p-type semiconductor portion 5 is usually formed to a thickness of about 200 nm to 1000 nm.

波長選択エミッタ3は、発電部2に対面する側に配置され、発電部2に対面する基材3の表面に立方柱状に刻設された井桁状のマイクロキャビティ4を有する。マイクロキャビティ4のキャビティサイズL(立方柱の側辺の長さ)は、例えば、発電部2がGaSb系化合物半導体(カットオフ波長:1.8nm)、GaInAs系化合物半導体(カットオフ波長:2.5nm)、GaInAsSb系化合物半導体(カットオフ波長:2.5nm)、またはInPAsSb系化合物半導体(カットオフ波長:3.5nm)で形成されている場合、それぞれカットオフ波長の半波長程度、すなわち、必要な近接場光の波長の半波長の長さに形成される。例えば、発電部2がGaSb系化合物半導体(カットオフ波長:1.8μm)、GaInAs系化合物半導体(カットオフ波長:2.5μm)、GaInAsSb系化合物半導体(カットオフ波長:2.5μm)、またはInPAsSb系化合物半導体(カットオフ波長:3.5μm)で形成されている場合、マイクロキャビティ4のキャビティサイズLは、それぞれカットオフ波長の半波長程度に形成される。また、マイクロキャビティ4の深さは、通常、L以上程度である。このマイクロキャビティ4によって、発生する近接場光の波長を調整して発電部2が発電可能な波長の近接場光を発電部2に入射させて近接場光を効率的に電気に変換することが可能となる。   The wavelength selective emitter 3 is disposed on the side facing the power generation unit 2, and has a grid-like microcavity 4 engraved in a cubic column shape on the surface of the base material 3 facing the power generation unit 2. The cavity size L of the microcavity 4 (the length of the side of the cubic pillar) is, for example, that the power generation unit 2 has a GaSb-based compound semiconductor (cut-off wavelength: 1.8 nm) and a GaInAs-based compound semiconductor (cut-off wavelength: 2.. 5 nm), GaInAsSb-based compound semiconductor (cutoff wavelength: 2.5 nm), or InPAsSb-based compound semiconductor (cutoff wavelength: 3.5 nm). It is formed to be half the length of the wavelength of the near-field light. For example, the power generation unit 2 includes a GaSb compound semiconductor (cutoff wavelength: 1.8 μm), a GaInAs compound semiconductor (cutoff wavelength: 2.5 μm), a GaInAsSb compound semiconductor (cutoff wavelength: 2.5 μm), or InPAsSb. In the case of being formed of a system compound semiconductor (cutoff wavelength: 3.5 μm), the cavity size L of the microcavity 4 is formed to be about half the cutoff wavelength. Moreover, the depth of the microcavity 4 is usually about L or more. The microcavity 4 can adjust the wavelength of the generated near-field light and cause the near-field light having a wavelength that can be generated by the power generation unit 2 to enter the power generation unit 2 to efficiently convert the near-field light into electricity. It becomes possible.

また、波長選択エミッタ3と発電部2との間の距離、すなわち、マイクロキャビティ4の凸部4aの先端と発電部2との間の距離Wは、前記近接場光の波長の半波長と同程度の大きさに保持される。これによって、発電部2によって、赤外線放射体の近傍に発生する赤外線領域の近接場光を電気に変換することが可能となる。   Further, the distance between the wavelength selective emitter 3 and the power generation unit 2, that is, the distance W between the tip of the convex portion 4a of the microcavity 4 and the power generation unit 2 is the same as the half wavelength of the wavelength of the near-field light. It is kept at a certain size. Thereby, the power generation unit 2 can convert near-field light in the infrared region generated in the vicinity of the infrared radiator to electricity.

この波長選択エミッタ3と、発電部2との間の距離Wを近接場光の波長の半波長と同程度に保つ方法は、両者の間の距離Wを、近接場光の波長の半波長、すなわち、ナノオーダの距離に一定に保つことができる方法であれば、特に制限されない、例えば、ピエゾアクチュエータ等を用いて、波長選択エミッタ3と、発電部2との間の距離Wを、発電電力が最大となる距離に保つ方法、発電部2と、波長選択エミッタ3に取り付けられた同極性の磁力部の引力または斥力によって、両者の間の距離を一定に保つ方法などが採用される。   The method of keeping the distance W between the wavelength selective emitter 3 and the power generation unit 2 at the same level as the half wavelength of the near-field light is obtained by changing the distance W between the two to the half wavelength of the near-field light, That is, the method is not particularly limited as long as the distance can be kept constant at the nano-order distance. For example, using a piezo actuator, the distance W between the wavelength selection emitter 3 and the power generation unit 2 can be calculated as follows. A method of maintaining the maximum distance, a method of keeping the distance between the power generation unit 2 and the magnetic force unit of the same polarity attached to the wavelength selection emitter 3 constant by the attractive force or repulsive force, and the like are employed.

ピエゾアクチュエータを用いて、波長選択エミッタ3と発電部2との間の距離を一定に保つ方法の具体例として、図2(A)に示す近接場光発電素子11の構造を採用する方法が挙げられる。
図2(A)に示す近接場光発電素子11は、天井壁19および側壁19a等で構成される真空容器VC内に、発電部12と、波長選択エミッタ14のマイクロキャビティ14aとを収納した構造を有する。発電部12は電池セル13で構成され、電池セル13は、波長選択エミッタ14に対面する側に形成されたp型半導体部15と、その反対側に形成されたn型半導体部16とを有する。また、p型半導体部15の波長選択エミッタ14に対面する表面には、図2(B)に示すように、4組のフィンガー電極17a,17b,17c,17dが、p型半導体部15の表面が平坦となるように埋設され、n型半導体部16の外表面には、電極18が設けられている。さらに、電極18と、近接場光発電素子11の天井壁19との間には、4隅に4本の支柱20a,20b,20c,20dが架設されている。この支柱20a,20b,20c,20dには、内部にピエゾアクチュエータが配設されている。そして、支柱20a,20b,20c,20dに配設されたピエゾアクチュエータは、その両端に印加される電圧に応じて、支柱20a,20b,20c,20dの長手方向に伸縮自在である。
As a specific example of the method of keeping the distance between the wavelength selective emitter 3 and the power generation unit 2 constant using a piezoelectric actuator, a method of adopting the structure of the near-field photovoltaic power generation element 11 shown in FIG. It is done.
The near-field photovoltaic power generation element 11 shown in FIG. 2 (A) has a structure in which a power generation unit 12 and a microcavity 14a of a wavelength selective emitter 14 are housed in a vacuum vessel VC composed of a ceiling wall 19 and a side wall 19a. Have The power generation unit 12 includes a battery cell 13, and the battery cell 13 includes a p-type semiconductor unit 15 formed on the side facing the wavelength selection emitter 14 and an n-type semiconductor unit 16 formed on the opposite side. . In addition, on the surface of the p-type semiconductor portion 15 facing the wavelength selective emitter 14, four pairs of finger electrodes 17 a, 17 b, 17 c and 17 d are provided on the surface of the p-type semiconductor portion 15 as shown in FIG. Is embedded so as to be flat, and an electrode 18 is provided on the outer surface of the n-type semiconductor portion 16. Furthermore, between the electrode 18 and the ceiling wall 19 of the near-field photovoltaic device 11, four support columns 20a, 20b, 20c, and 20d are installed at four corners. Piezoactuators are disposed inside the columns 20a, 20b, 20c, and 20d. The piezo actuators disposed on the columns 20a, 20b, 20c, and 20d can expand and contract in the longitudinal direction of the columns 20a, 20b, 20c, and 20d according to the voltage applied to both ends thereof.

この近接場光発電素子11は、波長選択エミッタ14から入射する近接場光によって発電部12において発電される。この発電部12における発電において、p型半導体部15と、n型半導体部16との間に生じる電圧が、フィンガー電極17a,17b,17c,17d(またはそのフィンガー電極に電気的に接続された、天井壁19に設けられた電極:図示せず)と、電極18とを介して、支柱20a,20b,20c,20dに配設されたピエゾアクチュエータに印加される。このとき、フィンガー電極17aと、電極18との間に生じる電圧の変化、すなわち、発電電圧の変化に応じて、支柱17aに設けられたピエゾアクチュエータに印加される電圧を調整すれば、その印加される電圧に応じてピエゾアクチュエータが伸縮するとともに、支柱17aが伸縮する。同様に、フィンガー電極17b,17c,17dの各電極と、電極18との間に生じる電圧変化に応じて、支柱20b,20c,20dのそれぞれが伸縮する。これによって、波長選択エミッタ14と、発電部12との間の距離が調整される。   The near-field light generating element 11 is generated in the power generation unit 12 by the near-field light incident from the wavelength selective emitter 14. In the power generation in the power generation unit 12, a voltage generated between the p-type semiconductor unit 15 and the n-type semiconductor unit 16 is electrically connected to the finger electrodes 17a, 17b, 17c, and 17d (or the finger electrodes, An electrode provided on the ceiling wall 19 (not shown) and the electrode 18 are applied to the piezo actuators disposed on the columns 20a, 20b, 20c, and 20d. At this time, if the voltage applied to the piezo actuator provided on the support column 17a is adjusted in accordance with the change in the voltage generated between the finger electrode 17a and the electrode 18, that is, the change in the generated voltage, the applied voltage is applied. The piezo actuator expands and contracts according to the applied voltage, and the support column 17a expands and contracts. Similarly, each of the support columns 20b, 20c, and 20d expands and contracts in accordance with a voltage change that occurs between each electrode of the finger electrodes 17b, 17c, and 17d and the electrode 18. Thereby, the distance between the wavelength selective emitter 14 and the power generation unit 12 is adjusted.

したがって、この近接場光発電素子11においては、まず、赤外線放射面である波長選択エミッタ14に面して、発電部12を、近接場効果が顕著となる距離まで近づけ、波長選択エミッタ14と発電部12とが接触しない範囲で、フィンガー電極17b,17c,17dの各電極と、電極18との間に生じる発電電圧の最高値を、波長選択エミッタ14の表面温度とともに記録する。そして、実際に使用する場合には、このフィンガー電極17b,17c,17dの各電極と、電極18との間に生じる4つの電圧を独立に計測し、常に、発電電圧が前記最高値に近い値となるように支柱20a,20b,20c,20dのそれぞれに設けられたピエゾアクチュエーターを駆動して支柱20a,20b,20c,20dを伸縮させ、波長選択エミッタ14と、発電部12との間の距離が、発電電圧が前記最高値となるように調整することが可能となる。これによって、波長選択エミッタ3と、発電部2との間を所定の距離に保つことができる。   Therefore, in the near-field photovoltaic power generation element 11, first, facing the wavelength selective emitter 14 that is an infrared radiation surface, the power generation unit 12 is brought close to a distance where the near-field effect becomes significant, and the wavelength selective emitter 14 and the power generation The maximum value of the generated voltage generated between each electrode of the finger electrodes 17 b, 17 c and 17 d and the electrode 18 is recorded together with the surface temperature of the wavelength selective emitter 14 in a range where the part 12 does not contact. In actual use, four voltages generated between each of the finger electrodes 17b, 17c and 17d and the electrode 18 are measured independently, and the generated voltage is always close to the maximum value. The distance between the wavelength selective emitter 14 and the power generation unit 12 is extended by driving the piezo actuator provided on each of the columns 20a, 20b, 20c, and 20d so that the columns 20a, 20b, 20c, and 20d expand and contract. However, it is possible to adjust the generated voltage so as to be the maximum value. Thus, a predetermined distance can be maintained between the wavelength selective emitter 3 and the power generation unit 2.

また、距離Wを、波長選択エミッタ3と、発電部2との間の誘電率の測定等の非接触的な方法によって計測し、計測された距離Wに応じて、支柱20a,20b,20c,20dのそれぞれに設けられたピエゾアクチュエーターを駆動して支柱20a,20b,20c,20dを伸縮させ、波長選択エミッタ14と、発電部12との間の距離が、発電電圧が前記最高値となるように調整することも可能である。   Further, the distance W is measured by a non-contact method such as measurement of the dielectric constant between the wavelength selective emitter 3 and the power generation unit 2, and the columns 20a, 20b, 20c, The piezo actuator provided in each of 20d is driven to expand and contract the pillars 20a, 20b, 20c, and 20d, and the distance between the wavelength selection emitter 14 and the power generation unit 12 is set so that the generated voltage becomes the maximum value. It is also possible to adjust to.

この近接場光発電素子1は、波長選択エミッタ3の外側(図1(B)中、紙面上側)に配置される赤外線放射体(図示せず)によって加熱され、マイクロキャビティ4の近傍に加熱温度に応じた赤外線領域の波長の近接場光を発生する。このとき、マイクロキャビティ4のキャビティの大きさ(キャビティの側辺の長さ)Lによって、発生する近接場光の波長を調整してp型半導体部5が発電可能な波長の近接場光を発生させることが可能となる。発生した近接場光は、発電部2のp型半導体部5に入射し、これによって、p型半導体部5を構成する化合物半導体によって発電する。発電した電気は、発電部2に電気的に接続された電極(図示せず)を介して、外部に供給される。   The near-field photovoltaic device 1 is heated by an infrared emitter (not shown) disposed outside the wavelength selective emitter 3 (upper side of the drawing in FIG. 1B), and is heated near the microcavity 4. Near-field light having a wavelength in the infrared region corresponding to the wavelength is generated. At this time, the wavelength of the generated near-field light is adjusted according to the size of the cavity of the microcavity 4 (the length of the side of the cavity) L, and the near-field light having a wavelength that can be generated by the p-type semiconductor unit 5 is generated. It becomes possible to make it. The generated near-field light is incident on the p-type semiconductor unit 5 of the power generation unit 2, and thereby generates power using the compound semiconductor that constitutes the p-type semiconductor unit 5. The generated electricity is supplied to the outside through an electrode (not shown) electrically connected to the power generation unit 2.

次に、図3(A)は、本発明の実施形態に係る近接場光発電装置21の構成例を示す模式断面図、図3(B)は、その近接場光発電装置21の一部を切り欠いて示す斜視図である。
この近接場光発電装置21は、図3(A)に示すように、コジェネレーションシステムの発電機EG、例えば、ディーゼル発電機の排気ガス路24の外周に、排気ガス路24の外側を覆うように、断面円弧状の近接場光発電素子22を並列および直列に複数配置した構成を有するものである。
Next, FIG. 3A is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the near-field photovoltaic power generation apparatus 21 according to the embodiment of the present invention, and FIG. 3B shows a part of the near-field photovoltaic power generation apparatus 21. It is a perspective view cut and shown.
As shown in FIG. 3A, the near-field light power generation apparatus 21 covers the outer periphery of the exhaust gas path 24 on the outer periphery of the exhaust gas path 24 of a generator EG of a cogeneration system, for example, a diesel generator. In addition, a plurality of near-field photovoltaic elements 22 having a circular arc cross section are arranged in parallel and in series.

この近接場発電装置21において、近接場光発電素子22は、図3(B)に示すように、円筒状の排気ガス路24の外周に密接するように形成された断面円弧状の波長選択エミッタ23と、その波長選択エミッタ23の外側に配置された発電部25とを有する。   In this near-field power generation device 21, the near-field photovoltaic power generation element 22 includes a wavelength-selective emitter having a circular arc cross section formed so as to be in close contact with the outer periphery of the cylindrical exhaust gas passage 24 as shown in FIG. And a power generation unit 25 disposed outside the wavelength selective emitter 23.

波長選択エミッタ23は、その外周、すなわち、発電部25に対面する側に、外周方向に刻設されたマイクロキャビティ26を有する。マイクロキャビティ26のキャビティの大きさは、発電部2を構成する化合物半導体のカットオフ波長程度、すなわち、必要な近接場光の波長の半波長と同程度に形成されている。このマイクロキャビティ26によって、発生する近接場光の波長を調整してp型半導体部28(図2(B)参照)が発電可能な波長の近接場光をp型半導体部28に入射させて近接場光を効率的に電気に変換することが可能となる。   The wavelength selective emitter 23 has a microcavity 26 carved in the outer peripheral direction on the outer periphery thereof, that is, on the side facing the power generation unit 25. The size of the cavity of the microcavity 26 is formed to be about the cut-off wavelength of the compound semiconductor constituting the power generation unit 2, that is, about the half wavelength of the necessary near-field light wavelength. The microcavity 26 adjusts the wavelength of the generated near-field light so that the near-field light having a wavelength that can be generated by the p-type semiconductor unit 28 (see FIG. 2B) is incident on the p-type semiconductor unit 28. It becomes possible to efficiently convert the field light into electricity.

発電部25は、波長選択エミッタ23の外側に微少の間隙Gを挟んで配置され、その波長選択エミッタ23を覆う断面円弧状に形成される。この発電部25は、断面円弧状のn型半導体部27と、波長選択エミッタ23に対面する側に設けられたp型半導体部28とを有するものである。   The power generation unit 25 is disposed outside the wavelength selection emitter 23 with a small gap G interposed therebetween, and is formed in a circular arc shape that covers the wavelength selection emitter 23. The power generation section 25 includes an n-type semiconductor section 27 having a circular arc cross section and a p-type semiconductor section 28 provided on the side facing the wavelength selective emitter 23.

p型半導体部28は、チョクラルスキー法等によって形成されたn型半導体部27の表面に、分子線エピタキシー成長等によって、前記化合物半導体からなる膜を成膜して形成される。   The p-type semiconductor portion 28 is formed by forming a film made of the compound semiconductor on the surface of the n-type semiconductor portion 27 formed by the Czochralski method or the like by molecular beam epitaxy growth or the like.

この近接場光発電装置21において、排気ガス路24を流通する排気ガスによって、波長選択エミッタ23が加熱され、波長選択エミッタ23のマイクロキャビティ26によって、発生する近接場光の波長を調整して発電部25が発電可能な波長の近接場光を発電部25に入射させて近接場光を効率的に電気に変換する。そして、並列および直列に配列された複数の近接場光発電素子22によって、所要の電圧値または電流値の発電が行われ、電気的に接続された電流路によって、外部に電気を供給することが可能となる。   In this near-field light power generation device 21, the wavelength selection emitter 23 is heated by the exhaust gas flowing through the exhaust gas passage 24, and the wavelength of the generated near-field light is adjusted by the microcavity 26 of the wavelength selection emitter 23 to generate power. The near-field light having a wavelength that can be generated by the unit 25 is incident on the power generation unit 25 to efficiently convert the near-field light into electricity. A plurality of near-field photovoltaic elements 22 arranged in parallel and in series generate power of a required voltage value or current value, and electricity can be supplied to the outside through an electrically connected current path. It becomes possible.

この近接場光発電装置21を有するコジェネレーションシステムにおいて、図2(A)に示すように、通常、発電機EGで発生するエネルギの内、発電に使われるエネルギの割合、すなわち、発電効率は規模に依存するが20〜50%であるので、出力100kW級以上のシステムであれば、概略40%となる。そして、発電機の冷却によって失われるエネルギが30%程度であるので、排気ガスは、発電機EGで発生するエネルギの内の30%程度の熱エネルギを有し、温度が600〜700℃程度となる。この排気ガスが有する熱エネルギを利用して、排気ガス路24に設けた近接場光発電装置21によって発電して、排気ガスが有する熱エネルギのおよそ40%程度、すなわち、全体の10%程度のエネルギを電気エネルギに変換することができる。これによって、コジェネレーションシステムにおいて、電力への変換効率を向上させることができる。そして、従来のコジェネレーションシステムにおいては、電力の供給に比べて熱供給が多量となる熱余り状態となる、といった非効率的であったものを、近接場光発電装置をオン・オフすることで、電力供給と熱供給のバランスをスイッチ一つで容易に選択することが可能となるため、全体として、エネルギを有効に利用することが可能となる。   In the cogeneration system having the near-field photovoltaic power generation device 21, as shown in FIG. 2A, the ratio of the energy used for power generation, that is, the power generation efficiency, is usually the scale of the energy generated by the generator EG. However, if it is a system with an output of 100 kW or higher, it is roughly 40%. Since the energy lost by cooling the generator is about 30%, the exhaust gas has about 30% of the energy generated by the generator EG, and the temperature is about 600 to 700 ° C. Become. Using the thermal energy of the exhaust gas, the near-field photovoltaic power generation device 21 provided in the exhaust gas path 24 generates power, and about 40% of the thermal energy of the exhaust gas, that is, about 10% of the total. Energy can be converted to electrical energy. Thereby, in the cogeneration system, the conversion efficiency into electric power can be improved. And in the conventional cogeneration system, by turning on and off the near-field photovoltaic power generation device, which is inefficient, such as a heat surplus state where the heat supply is large compared to the power supply, Since the balance between power supply and heat supply can be easily selected with a single switch, energy can be used effectively as a whole.

また、本発明の近接場光発電装置は、前記のコジェネレーションシステムの排熱エネルギを利用するものに制限されず、各種の発熱体による発電に適用することができる。例えば、定置型のコジェネレーションシステムにおけるガスタービン、デーゼルエンジン、ガスエンジン等の内燃機関の排ガス路、あるいは乗用車、バス、トラック等の移動用自動車に搭載される内燃機関の排ガス路、また、鉄鋼業における均熱炉や予熱炉の炉壁、ガラス溶融炉における炉壁、さらに、各種の燃焼炉における炉壁などの、例えば、600℃程度以上の温度に加熱される部位、部材、部分等に適用して、発電を行うことが可能となり、エネルギの有効利用、あるいは熱電供給のバランスの最適化に有用である。これらの近接場光発電装置において、本発明の素子をモジュール化し、そのモジュールユニットを発熱体に合わせて配設することによって、発電を行うことができる。さらに、モジュールユニットを配列して、排気ガス流路等の排熱路としてもよい。   Further, the near-field photovoltaic power generation apparatus of the present invention is not limited to the one using the exhaust heat energy of the cogeneration system, and can be applied to power generation by various heating elements. For example, exhaust gas passages of internal combustion engines such as gas turbines, diesel engines, gas engines, etc. in stationary cogeneration systems, or exhaust gas passages of internal combustion engines mounted on moving automobiles such as passenger cars, buses, trucks, etc. For example, furnace walls of soaking and preheating furnaces, furnace walls of glass melting furnaces, furnace walls of various combustion furnaces, etc. Thus, it is possible to generate power, which is useful for effective use of energy or optimization of the balance of thermoelectric supply. In these near-field photovoltaic power generation devices, power generation can be performed by modularizing the element of the present invention and arranging the module unit in accordance with the heating element. Furthermore, module units may be arranged to serve as exhaust heat passages such as exhaust gas passages.

以下、本発明の実施例および比較例によって、本発明をより詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples and comparative examples of the present invention, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
図3(A)に示すように、10−4Paに減圧された真空容器(図示せず)内に、赤外線放射体(赤外線放射体)32と、電池部33とを対面して配置した構成の近接場光発電の実験装置31を用いて、近接場光による発電を行った。
Example 1
As shown in FIG. 3A, an infrared radiator (infrared radiator) 32 and a battery unit 33 are arranged facing each other in a vacuum container (not shown) decompressed to 10 −4 Pa. Using near-field light power generation experimental apparatus 31, power was generated by near-field light.

この実験装置31において、赤外線放射体装置32は、ゴニオメータ34と、ゴニオメータ34の端面に搭載されたタングステンブロック赤外線放射体35とを有する。ゴニオメータ34は、タングステンブロック35のZ軸方向の傾き角度を調整可能である。また、この赤外線放射体32は、ゴニオメータ34の上方から、ゴニオメータ34を貫通してタングステンブロック35の上面に達するレーザ通路36(図3(B)参照)を有する。   In this experimental apparatus 31, the infrared radiator device 32 includes a goniometer 34 and a tungsten block infrared radiator 35 mounted on the end face of the goniometer 34. The goniometer 34 can adjust the inclination angle of the tungsten block 35 in the Z-axis direction. Further, the infrared radiator 32 has a laser passage 36 (see FIG. 3B) that reaches the upper surface of the tungsten block 35 from above the goniometer 34 through the goniometer 34.

また、電池部33は、マイクロメータ37の基台38と、基台38上に搭載された銅ブロック39と、銅ブロック39の上部に貼り付けられた、ガリウム・アンチモン系化合物半導体からなる光起電力電池素子40とを有する。光起電力電池素子40は、前記発電部と同様に、タングステンブロック赤外線放射体35に対面する側にp型半導体部、その反対側にn型半導体部を有するものである。銅ブロック39の内部には、冷却水流路(図示せず)が設けられている。また、光起電力電池素子40の表面には、格子状の集電用電極(図示せず)が、光起電力電池素子40の表面と平行に貼り付けられている。さらに、マイクロメータ37は、X軸,Y軸およびZ軸方向の基台38の位置調整、ならびにZ軸方向の基台38の回転角度が調整可能である。   The battery unit 33 includes a base 38 of the micrometer 37, a copper block 39 mounted on the base 38, and a photovoltaic device made of a gallium / antimony compound semiconductor attached to the top of the copper block 39. Power battery element 40. The photovoltaic cell element 40 has a p-type semiconductor part on the side facing the tungsten block infrared radiator 35 and an n-type semiconductor part on the opposite side, like the power generation part. Inside the copper block 39, a cooling water flow path (not shown) is provided. A grid-shaped collecting electrode (not shown) is attached to the surface of the photovoltaic cell element 40 in parallel with the surface of the photovoltaic cell element 40. Further, the micrometer 37 is capable of adjusting the position of the base 38 in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions and adjusting the rotation angle of the base 38 in the Z-axis direction.

この実験装置31において、図3(B)に示すように、まず、ゴニオメータ34に搭載されたタングステンブロック赤外線放射体35と、マイクロメータ37に搭載された光起電力電池素子40とを向かい合わせた。次に、タングステンブロック赤外線放射体35の温度が常温の状態で、ゴニオメータ34によってタングステンブロック赤外線放射体35の表面を傾け、光起電力電池素子40の表面に貼り付けられた集電用電極と、タングステンブロック赤外線放射体35と接触したときの通電を検知し、そのときのタングステンブロック赤外線放射体35の傾き角度を測定した。さらに、ゴニオメータ34によってタングステンブロック赤外線放射体35の表面を、逆方向に傾け、タングステンブロック赤外線放射体35が集電用電極に接触したときの通電を検知し、そのときのタングステンブロック赤外線放射体35の傾き角度を測定した。そして、それらの2つの傾き角度から、タングステンブロック赤外線放射体35と、集電用電極が表面に貼り付けられた光起電力電池素子40とが平行となるタングステンブロック赤外線放射体35の傾き角度および位置を求めた。この操作をZ軸方向(図3中、紙面上下方向)に直交する2軸方向(X軸方向、Y軸方向)について行った。なお、この集電用電極にタングステンブロック赤外線放射体35が接しないように、タングステンブロック赤外線放射体35の表面には溝が設けてある。
さらに、タングステンブロック赤外線放射体35と集電用電極との接触による通電の有無を検知しながら、マイクロメータ37によって、タングステンブロック赤外線放射体35と光起電力電池素子40とが、接触せず、かつ平行となるように光起電力電池素子40の位置決めを行った。
In this experimental apparatus 31, as shown in FIG. 3B, first, the tungsten block infrared radiator 35 mounted on the goniometer 34 and the photovoltaic cell element 40 mounted on the micrometer 37 were faced to each other. . Next, in a state where the temperature of the tungsten block infrared radiator 35 is normal temperature, the surface of the tungsten block infrared radiator 35 is inclined by the goniometer 34, and the current collecting electrode attached to the surface of the photovoltaic cell element 40; The energization when contacting with the tungsten block infrared radiator 35 was detected, and the tilt angle of the tungsten block infrared radiator 35 at that time was measured. Further, the goniometer 34 tilts the surface of the tungsten block infrared radiator 35 in the reverse direction to detect energization when the tungsten block infrared radiator 35 contacts the collecting electrode, and the tungsten block infrared radiator 35 at that time is detected. The inclination angle of was measured. Then, from these two inclination angles, the inclination angle of the tungsten block infrared radiator 35 in which the tungsten block infrared radiator 35 and the photovoltaic cell element 40 having the collector electrode attached on the surface thereof are parallel to each other. The position was determined. This operation was performed in two axial directions (X-axis direction and Y-axis direction) orthogonal to the Z-axis direction (the vertical direction in FIG. 3). A groove is provided on the surface of the tungsten block infrared radiator 35 so that the tungsten block infrared radiator 35 is not in contact with the current collecting electrode.
Furthermore, while detecting the presence or absence of energization due to contact between the tungsten block infrared radiator 35 and the collecting electrode, the micrometer 37 does not contact the tungsten block infrared radiator 35 and the photovoltaic cell element 40, And the photovoltaic cell element 40 was positioned so that it might become parallel.

次に、一旦、ゴニオメータ34によって、タングステンブロック赤外線放射体35を、光起電力電池素子40から離した後、レーザ通路36を通って炭酸ガスレーザを照射してタングステンブロック赤外線放射体35を加熱した。タングステンブロック赤外線放射体35の温度が650℃に達した後、炭酸ガスレーザによる加熱量を一定にして、ゴニオメータ34によって、タングステンブロック赤外線放射体35を光起電力電池素子40の表面に近接させた。このとき、光起電力電池素子40と対面する、タングステンブロック赤外線放射体35の面積は0.2cm×0.8cmであり、光起電力電池素子40が赤外線を受光する面積、すなわち、発電に寄与する有効面積(タングステンブロック赤外線放射体35と光起電力電池素子40とが実際に対面している面積)も0.2cm×0.8cmであった。   Next, the tungsten block infrared radiator 35 was once separated from the photovoltaic cell element 40 by the goniometer 34 and then irradiated with a carbon dioxide laser through the laser passage 36 to heat the tungsten block infrared radiator 35. After the temperature of the tungsten block infrared radiator 35 reached 650 ° C., the amount of heating by the carbon dioxide laser was made constant, and the tungsten block infrared radiator 35 was brought close to the surface of the photovoltaic cell element 40 by the goniometer 34. At this time, the area of the tungsten block infrared radiator 35 facing the photovoltaic cell element 40 is 0.2 cm × 0.8 cm, and the photovoltaic cell element 40 receives infrared rays, that is, contributes to power generation. The effective area (the area where the tungsten block infrared radiator 35 and the photovoltaic cell element 40 actually face each other) was also 0.2 cm × 0.8 cm.

この実験装置31において、測定された光起電力電池素子の電流−電圧特性を図4に示す。図5に示されるように、発熱体であるタングステンブロック赤外線放射体35と、光起電力電池素子40との間の距離が50μm以下になると、形態係数(タングステンブロック赤外線放射体35の表面から放射されたエネルギが光起電力電池素子40の表面に到達する割合;2つの無限平板であれば、一方から放射された光は必ずもう一方の面に到達するので形態係数は常に1となる)はほぼ1となり、さらに、タングステンブロック赤外線放射体35と光起電力電池素子40とが近接して、両者の間の距離が1μm以下になると、伝播光による発電に比べて、開放電圧が1.4倍に、短絡電流が4倍にまで跳ね上がった。光起電力電池素子の表面と、タングステンブロックの表面との間の距離は、マイクロメーターの移動距離から求めた。また、比較のために、発熱体の表面温度の4乗に比例する伝播光による発電量を、図5に黒丸で示す。この伝播光による発電量は、図5に示すとおり、距離に依らず、電池の出力は一定となる。   FIG. 4 shows the measured current-voltage characteristics of the photovoltaic cell element in this experimental apparatus 31. As shown in FIG. 5, when the distance between the tungsten block infrared radiator 35, which is a heating element, and the photovoltaic cell element 40 is 50 μm or less, the form factor (radiation from the surface of the tungsten block infrared radiator 35) is achieved. The rate at which the generated energy reaches the surface of the photovoltaic cell element 40; if there are two infinite flat plates, the light emitted from one will always reach the other surface, so the shape factor will always be 1) When the tungsten block infrared radiator 35 and the photovoltaic cell element 40 are close to each other and the distance between the two becomes 1 μm or less, the open circuit voltage is 1.4 compared to the power generation by propagating light. The short circuit current jumped up to 4 times. The distance between the surface of the photovoltaic cell element and the surface of the tungsten block was determined from the moving distance of the micrometer. For comparison, the amount of power generated by propagating light proportional to the fourth power of the surface temperature of the heating element is shown by black circles in FIG. As shown in FIG. 5, the amount of power generated by this propagating light is constant regardless of the distance.

この実験装置における光起電力電池素子の電流−電圧特性は、伝播光であっても近接場光であっても変わることはないので、近接場効果による電流−電圧特性は、図5に示されるようになる、と考えられる。ここで、発電量は、それら増大分の掛け算で表現できることから、近接場効果により、伝播光による場合よりも5.6倍の発電量が見込まれることが分かる。   Since the current-voltage characteristic of the photovoltaic cell element in this experimental apparatus does not change whether it is propagating light or near-field light, the current-voltage characteristic due to the near-field effect is shown in FIG. It is thought that it becomes. Here, since the power generation amount can be expressed by multiplying those increases, it can be seen that the power generation amount 5.6 times that of the case of propagating light is expected due to the near-field effect.

(A)は、本発明の実施形態に係る近接場光発電素子の構造を示す分解斜視図、(B)は、その近接場光発電素子の断面模式図である。(A) is a disassembled perspective view which shows the structure of the near-field photovoltaic device which concerns on embodiment of this invention, (B) is a cross-sectional schematic diagram of the near-field photovoltaic device. (A)は、本発明の実施形態に係る近接場光発電素子における発電部の位置を調整するための構造を説明する分解斜視図、(B)は、その近接場光発電素子の断面模式図である。(A) is a disassembled perspective view explaining the structure for adjusting the position of the electric power generation part in the near-field photovoltaic device which concerns on embodiment of this invention, (B) is a cross-sectional schematic diagram of the near-field photovoltaic device It is. (A)は、本発明の実施形態に係る近接場光発電装置の構成例を示す模式断面図、(B)は、その近接場光発電装置の一部を切り欠いて示す斜視図である。(A) is a schematic cross section which shows the structural example of the near field photovoltaic power generation apparatus which concerns on embodiment of this invention, (B) is a perspective view which notches and shows a part of the near field photovoltaic power generation apparatus. (A)は、実施例で用いた近接場光発電の実験装置の構成を示す分解斜視図、(B)は、その実験装置による実験方法を説明する図である。(A) is an exploded perspective view showing the configuration of an experimental apparatus for near-field light power generation used in the examples, and (B) is a diagram for explaining an experimental method using the experimental apparatus. 実施例における近接場光による発電結果を示すグラフである。It is a graph which shows the electric power generation result by the near field light in an Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 近接場光発電素子
2 発電部
3 波長選択エミッタ
4 マイクロキャビティ
5 p型半導体部
6 n型半導体部
11 近接場光発電素子
12 発電部
13 電池セル
14 波長選択エミッタ
15 p型半導体部
16 n型半導体部
17a,17b,17c,17d フィンガー電極
18 電極
19 天井壁
20a,20b,20c,20d 支柱
21 近接場発電装置
22 近接場光発電素子
23 波長選択エミッタ23
24 排気ガス路
25 発電部
26 マイクロキャビティ
27 基板
28 p型半導体部
31 実験装置
32 赤外線放射体装置
33 電池部
34 ゴニオメータ
35 タングステンブロック赤外線放射体
36 レーザ通路
37 マイクロメータ37
38 基台
39 銅ブロック
40 光起電力電池素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Near field photovoltaic device 2 Electric power generation part 3 Wavelength selection emitter 4 Microcavity 5 P type semiconductor part 6 N type semiconductor part 11 Near field photovoltaic element 12 Electric power generation part 13 Battery cell 14 Wavelength selection emitter 15 P type semiconductor part 16 N type Semiconductor part 17a, 17b, 17c, 17d Finger electrode 18 Electrode 19 Ceiling wall 20a, 20b, 20c, 20d Post 21 Near field power generation device 22 Near field photovoltaic device 23 Wavelength selection emitter 23
24 Exhaust gas passage 25 Power generation unit 26 Microcavity 27 Substrate 28 P-type semiconductor unit 31 Experimental device 32 Infrared radiator device 33 Battery unit 34 Goniometer 35 Tungsten block infrared radiator 36 Laser passage 37 Micrometer 37
38 Base 39 Copper block 40 Photovoltaic battery element

Claims (5)

赤外線放射体の近傍に発生する赤外線領域の近接場光によって発電を行う発電素子であって、
前記赤外線放射体に対して、前記近接場光の効果が顕著となる距離に離隔して対面配置された発電部を備えることを特徴とする近接場光発電素子。
A power generation element that generates power by near-field light in an infrared region generated in the vicinity of an infrared radiator,
A near-field photovoltaic element, comprising: a power generation unit disposed facing the infrared radiator at a distance where the effect of the near-field light is significant.
前記発電部が、GaSb系化合物半導体、GaInAs系化合物半導体、GaInAsSb系化合物半導体、InPAsSb系化合物半導体から選ばれる少なくとも1種の化合物半導体からなるものであることを特徴とする請求項1に記載の近接場光発電素子。   2. The proximity according to claim 1, wherein the power generation unit is made of at least one compound semiconductor selected from a GaSb compound semiconductor, a GaInAs compound semiconductor, a GaInAsSb compound semiconductor, and an InPAsSb compound semiconductor. Photovoltaic power generation element. 前記赤外線放射体によって加熱され、前記発電部に入射して発電が可能な波長の近接場光を発生する波長選択エミッタを備えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の近接場光発電素子。   The near-field light according to claim 1, further comprising a wavelength-selective emitter that is heated by the infrared radiator and is incident on the power generation unit to generate near-field light having a wavelength capable of power generation. Power generation element. 前記波長選択エミッタは、前記発電部に対面する側に前記近接場光の波長の半波長と同程度の大きさのキャビティサイズを有するマイクロキャビティを備えることを特徴とする請求項3に記載の近接場光発電素子。   4. The proximity according to claim 3, wherein the wavelength selective emitter includes a microcavity having a cavity size approximately the same as a half wavelength of the wavelength of the near-field light on a side facing the power generation unit. Photovoltaic power generation element. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の近接場光発電素子を赤外線放射体の周囲に直列および/または並列に配置してなる電池部を有することを特徴とする近接場光発電装置。   5. A near-field photovoltaic power generation apparatus comprising a battery unit in which the near-field photovoltaic power generation element according to claim 1 is arranged in series and / or in parallel around an infrared radiator.
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