近接場光発電素子および近接場光発電装置
【課題】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の提供。
【解決手段】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。
【解決手段】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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【０００４】
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。
【非特許文献１】Nature, Letters, Vol.444, 7 Dec., 2006, pp.740-743| doi:10.1038/nature05265
【非特許文献２】Thermophotovoltaic Generation of Electiricity, 6th Conf. on TPV Gen. Electricity, Freiburg, Germany, 14-16, June, 2004, pp.42-51| AIP Conf. Proc. vol.738
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【発明の効果】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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−ｘＩｎｘＡｓ（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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【実施例】
【００４３】
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。
【００４４】
（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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【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、（Ｂ）は、その近接場光発電素子の断面模式図である。
【図２】（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。
【図３】（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。
【図４】（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。
【図５】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。
【符号の説明】
【００５２】
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
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【０００４】
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。
【非特許文献１】Nature, Letters, Vol.444, 7 Dec., 2006, pp.740-743| doi:10.1038/nature05265
【非特許文献２】Thermophotovoltaic Generation of Electiricity, 6th Conf. on TPV Gen. Electricity, Freiburg, Germany, 14-16, June, 2004, pp.42-51| AIP Conf. Proc. vol.738
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【発明の効果】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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−ｘＩｎｘＡｓ（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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【実施例】
【００４３】
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。
【００４４】
（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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【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、（Ｂ）は、その近接場光発電素子の断面模式図である。
【図２】（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。
【図３】（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。
【図４】（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。
【図５】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。
【符号の説明】
【００５２】
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−３００６２６（Ｐ２００８−３００６２６Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１４５０８１（Ｐ２００７−１４５０８１）
【出願日】平成１９年５月３１日（２００７．５．３１）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月３１日（２００７．５．３１）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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