表面微細周期構造による熱放射スペクトル制御と波長選択性熱放射素子への応用

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本研究では、(1)表面微細構造からの熱放射スペクトルの解析と評価、熱放射素子の実現、(2)熱放射素子に対応する高効率・広帯域な光電変換セルを開発するための基礎研究、の二つの課題に取り組んできた。最終年度となる本年度は、主に(2)の課題に取り組み以下のような成果を得た。光電変換セルの効率向上を目的として、対象とする光の波長よりも小さな構造(サブ波長構造)による素子表面の反射抑止技術の研究を行った。前年度において、FDTD法及びRCWA法による数値解析を行って、周期100nm、アスペクト比3程度のピラミッド構造によって反射を1%程度にまで抑制できることを明らかにした。これを実証することを目的として、自己組織化構造である陽極酸化ポーラスアルミナをマスクとしたドライエッチング法を用い、シリコン基板表面にサブ波長構造を作製し、感度波長帯において実際に反射率を1%程度にまで抑制することに成功した。さらに、このサブ波長構造を持つシリコン基板を用いて光電変換セルを試作した。結果、広い入射角度に対して短絡電流増加が認められ、サブ波長構造による反射抑止が光電変換セルの性能向上に有効であることを示した。一方、薄型基板を用いたSi光電変換セルの表面構造には、実効的な光路長を十分に確保するため、低反射率のみならず高い光閉じ込め効果が求められる。光路長増大には、入射光を斜めに進行させる回折を利用することが有効である。本研究では、低反射率と光路長増大の双方に寄与する表面構造を数値解析によって探索した。その結果、太陽光スペクトルを基準とした場合、有効な表面構造には周期500nm程度以上が要求されることを明らかにした。表面構造の最適な大きさは対象波長によって異なり、中心波長が長い低温熱放射を利用する場合は、より大きな構造が光閉じ込めに有効であると考えられる。