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公開番号2025065081
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-17
出願番号2024175352
出願日2024-10-04
発明の名称中間バンドを用いた熱放射発電素子
出願人国立大学法人神戸大学
代理人弁理士法人グローバル知財
主分類H10N 10/00 20230101AFI20250410BHJP()
要約【課題】太陽電池パネルと同程度の発電量で、結晶性が高く大面積化が可能な熱放射発電素子であって、同一の発電素子において熱放射発電と太陽光発電の発電量の両立を図る熱放射発電素子を提供する。
【解決手段】半導体のバンドギャップに中間バンドが存在する構造を用いる。中間バンドを介した遷移エネルギーを、従来の熱放射発電素子のナローバンドギャップ半導体のバンドギャップのエネルギーに対応させ熱放射発電を図る。特に、中間バンドと伝導バンドの第1の中間バンドギャップと、中間バンドと価電子バンドの第2の中間バンドギャップをいわゆる大気の窓の赤外線波長に合わせる。第1の中間バンドギャップと第2の中間バンドギャップを同一にするよりも差を設けることで熱放射発電量を更に向上させる。日中は太陽電池として可視光と赤外光を吸収して発電し、夜間は赤外光を放出して発電させる。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項１】
半導体のバンドギャップに中間バンドが存在する構造を用いた熱放射発電素子。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記中間バンドと伝導バンドの第１の中間バンドギャップが、0.248～0.413ｅＶ（3～5μｍの赤外線波長帯のエネルギー）、又は、0.155～0.103ｅＶ（8～12μｍの赤外線波長帯のエネルギー）である、請求項１に記載の熱放射発電素子。
【請求項３】
前記中間バンドと価電子バンドの第２の中間バンドギャップが、0.248～0.413ｅＶ（3～5μｍの赤外線波長帯のエネルギー）、又は、0.155～0.103ｅＶ（8～12μｍの赤外線波長帯のエネルギー）である、請求項１に記載の熱放射発電素子。
【請求項４】
前記中間バンドと伝導バンドの第１の中間バンドギャップが、0.248～0.413ｅＶ（3～5μｍの赤外線波長帯のエネルギー）、又は、0.155～0.103ｅＶ（8～12μｍの赤外線波長帯のエネルギー）であり、
前記中間バンドと価電子バンドの第２の中間バンドギャップが、0.248～0.413ｅＶ（3～5μｍの赤外線波長帯のエネルギー）、又は、0.155～0.103ｅＶ（8～12μｍの赤外線波長帯のエネルギー）である、請求項１に記載の熱放射発電素子。
【請求項５】
第１の中間バンドギャップと第２の中間バンドギャップの差が、バンドギャップの０．１～０．３である、請求項４に記載の熱放射発電素子。
【請求項６】
伝導バンドから前記中間バンドへの遷移エネルギーに依存した第１の吸収率（α
ｃｉ
）と、前記中間バンドから価電子バンドへの遷移エネルギーに依存した第２の吸収率（α
ｉｖ
）とが、熱放射の発電密度を最大化するように最適化された、請求項５に記載の熱放射発電素子。
【請求項７】
第１の中間バンドギャップと第２の中間バンドギャップが同一である、請求項４に記載の熱放射発電素子。
【請求項８】
前記構造は、量子ドット、量子細線又は量子井戸の何れか、或いは、不純物もしくは欠陥準位又はそれらの複合中心の何れかである、請求項１に記載の熱放射発電素子。
【請求項９】
前記構造は、量子ドット、量子細線、量子井戸の何れかの単層又は複数層で構成される、請求項１に記載の熱放射発電素子。
【請求項１０】
前記半導体は、IＶ族半導体またはIII－Ｖ族化合物半導体で構成され、
前記構造は、ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂもしくはＧｅの何れかの量子ドットである、請求項１に記載の熱放射発電素子。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、中間バンドを用いた熱放射発電素子に関するものである。
続きを表示（約 2,400 文字）【背景技術】
【０００２】
日中に地表が太陽光で温められると、地表に蓄えられたエネルギーが夜間に赤外線として放出される。熱放射発電素子は、赤外線の放出過程を利用して夜間に電力を生み出す発電素子として注目されている。これまでに赤外線検出器として市販されているＨｇＣｄＴｅ（テルル化カドミウム水銀）やＩｎＡｓ（ヒ化インジウム）などのバルク材料を用いて熱放射発電素子の動作が実証されている（例えば非特許文献１を参照）。
非特許文献１では、赤外線センサに使われているＨｇＣｄＴｅを熱放射発電素子として用いているが、発電量は１平方メートルあたり２．２６ミリワットであり、太陽電池パネルの約１０万分の１の発電量であった。また、熱放射発電の発電量が素子面積に比例することから、素子の大面積化を目指すものの、ＨｇＣｄＴｅでは、高品質な結晶の大面積化に課題があった。
【０００３】
また、熱源を用いて熱放射させる物体（エミッタ）と太陽電池セルを組み合わせた熱光起電力（ＴＰＶ：Thermo photo voltaic）発電が知られている。ＴＰＶ発電は、熱源を用いてエミッタを加熱し、エミッタからの熱放射光を太陽電池セルに入射させるものであり、熱源として工場の排熱などが利用できる。このＴＰＶ発電の場合、発電効率を上げるために、熱源とエミッタとの距離を制御することによりエミッタの温度の最適化を行い（例えば特許文献１を参照）、或いは、集光レンズによって集光した光をエミッタに照射して蓄積させて太陽光の強度よりも強い熱放射光の強度を得たりするなどを行っている（例えば特許文献２を参照）。またエミッタに対して熱放射光（スペクトル）の制御を行い、太陽電池セルが吸収する光の帯域を強く放射する選択エミッタを用いて発電効率を改善している。
【０００４】
また、近年の研究で、日中でも放射冷却が起きる構造が実証されており、その放射冷却構造は、太陽光吸収を極力低減し、宇宙への熱放射が最大になるようにしたもので、ガラス材料で放射冷却構造が作られ、熱電素子の上に設置され、屋外で一日中発電し続けられることを実証したものである。
【０００５】
宇宙への熱放射が最大になるようにするためには、地表と宇宙の間に存在する大気や雲（水蒸気）に吸収されない熱放射を行う必要がある。熱放射で用いられる中赤外域の波長範囲の熱放射は、大気に対しては透過率が高いが、水蒸気に吸収されやすいといった特性がある。
【０００６】
一方、太陽電池は、太陽光をエネルギー源とするため、夜間に発電できないことが太陽光発電における低い設備利用率の要因となっている。熱放射発電素子は、太陽電池と同様に半導体のｐｎ接合を基本構造とするため、昼間に太陽光発電を、夜間に熱放射発電を同一の発電素子で実現できれば、太陽光発電の設備利用率の向上が期待できる。
一方、熱放射発電素子の発電量を増加させるためには、ＨｇＣｄＴｅやＩｎＡｓなどのナローバンドギャップ半導体が必要となる。ナローバンドギャップ半導体で構成される太陽電池の発電量は広く普及しているシリコン太陽電池よりも著しく低下してしまうため、同一の発電素子において太陽光発電と熱放射発電の発電量の両立が困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特開２０１４－２１７１１０号公報
特開２０１６－１９５４９２号公報
【非特許文献】
【０００８】
Nielsen et al., “Thermoradiative Power Conversion from HgCdTe Photodiodes and Their Current-Voltage Characteristics”, ACS Photonics , pp.1535-154 (2022).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
かかる状況に鑑みて、太陽電池パネルと同程度の発電量で、結晶性が高く大面積化が可能な熱放射発電素子を提供することを目的とする。
また、同一の発電素子において熱放射発電と太陽光発電の発電量の両立を図ることができる熱放射発電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決すべく、本発明の熱放射発電素子は、半導体のバンドギャップに中間バンドが存在する構造を用いる。本発明では、中間バンドを介した遷移エネルギーを、従来の熱放射発電素子であるＨｇＣｄＴｅなどのナローバンドギャップ半導体のバンドギャップのエネルギーに対応させ熱放射発電を図るものである。
ここで、中間バンドと伝導バンドの第１の中間バンドギャップが、0.248～0.413ｅＶ（3～5μｍの赤外線波長帯のエネルギー）、又は、0.155～0.103ｅＶ（8～12μｍの赤外線波長帯のエネルギー）であることが好ましい。宇宙３Kの放射の場合、いわゆる大気の窓を通して放射になるため、大気の窓と言われる0.248～0.413ｅＶ（赤外線波長で3～5μｍ帯）、又は、0.155～0.103ｅＶ（赤外線波長で8～12μｍ帯）を、中間バンドと伝導バンドの第１の中間バンドギャップとする。
また、価電子バンドと伝導バンドの間に中間バンドが存在する場合には、価電子バンドと中間バンドと、中間バンドと伝導バンドとの関係は等価である。つまり、中間バンドと価電子バンドの第２の中間バンドギャップが、0.248～0.413ｅＶ（3～5μｍの赤外線波長帯のエネルギー）、又は、0.155～0.103ｅＶ（8～12μｍの赤外線波長帯のエネルギー）でもよい。
（【００１１】以降は省略されています）

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