熱輻射光源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種將熱轉(zhuǎn)換為光的熱輻射光源。
【背景技術(shù)】
[0002]—般來(lái)說(shuō)，在加熱物體時(shí)產(chǎn)生熱輻射，該熱輻射可放出具有與構(gòu)成物體的物質(zhì)和物體的溫度相應(yīng)的光譜的光(電磁波)。自完全吸收從外部照射來(lái)的光的理想的物體(黑體)產(chǎn)生的熱輻射被稱作黑體輻射。在黑體輻射中，能夠放出具有強(qiáng)度分布在廣闊的波段內(nèi)、該分布僅由溫度決定的波長(zhǎng)光譜的光。此外，公知有如下內(nèi)容:加熱通常的物體時(shí)的波長(zhǎng)光譜也具有遍布在寬幅的波段內(nèi)的分布，但無(wú)法超出相同溫度下的黑體的波長(zhǎng)光譜。利用該熱輻射能夠放出具有強(qiáng)度分布在廣闊的波段內(nèi)的光譜的光。在這種情況下，通過(guò)將物體和熱源組合起來(lái)，能夠得到具有廣闊的波長(zhǎng)光譜的光源(熱輻射光源)。
[0003]另一方面，也尋求一種發(fā)出在特定的波段中具有較大強(qiáng)度的光、而不是具有該廣闊的波長(zhǎng)光譜的光的熱輻射光源。作為其一例子，能夠列舉出太陽(yáng)能電池的領(lǐng)域。在現(xiàn)今實(shí)用化的太陽(yáng)能電池中，僅太陽(yáng)光所含有的廣闊的波段中的、特定的波長(zhǎng)頻帶的光有助于光電轉(zhuǎn)換，除此之外的波長(zhǎng)的光的能量成為損失。
[0004]在非專利文獻(xiàn)I和2中記載有一種具有二維光子晶體的熱輻射光源，該二維光子晶體是通過(guò)在板狀構(gòu)件上以三角格子狀設(shè)有多個(gè)空孔而成的，該板狀構(gòu)件具有將由AlGaAs構(gòu)成的層和由GaAs構(gòu)成的層交替層疊而成的量子阱結(jié)構(gòu)。在加熱板狀構(gòu)件時(shí)，利用量子阱的能級(jí)之間的電子的熱激發(fā)，產(chǎn)生與能級(jí)差相對(duì)應(yīng)的多個(gè)波長(zhǎng)的發(fā)光，但該發(fā)光的波長(zhǎng)光譜窄于通常的熱輻射光源的波長(zhǎng)光譜。并且，二維光子晶體能夠與由空孔的周期決定的預(yù)定波長(zhǎng)的光共振，選擇性地加強(qiáng)該波長(zhǎng)的光。通過(guò)這些量子阱和二維光子晶體組合，能夠在所述預(yù)定波長(zhǎng)附近得到線寬較窄且峰值的強(qiáng)度較大的波長(zhǎng)光譜。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)1:國(guó)際公開W02005/086302號(hào)
[0008]專利文獻(xiàn)2:國(guó)際公開W02007/029661號(hào)
[0009]專利文獻(xiàn)3:日本特開2001-074955號(hào)公報(bào)
[0010]非專利文獻(xiàn)
[0011]非專利文獻(xiàn)1:De Zoysa Menaka et al.(T 寸 7—于力等5位)'“Convers1nof broadband to narrowband thermal emiss1n through energy recycling，，(基于會(huì)^量再循環(huán)的從寬頻帶熱福射向窄頻帶熱福射的轉(zhuǎn)換)、[online]、2012年7月8日、NaturePhotonics (自然光子)、[平成 25 年 2 月 26 日檢索]、互聯(lián)網(wǎng) <URL:http://www.nature,com/nphoton/journal/v6/n8/ful1/nphoton.2012.146.html>
[0012]非專利文獻(xiàn)2:國(guó)立大學(xué)法人京都大學(xué)、“來(lái)自物體的熱輻射光譜的大幅度的窄頻帶化得以成功一高效太陽(yáng)能電池應(yīng)用等面向能量的有效利用的重要的一步得以實(shí)現(xiàn)一”、[online]、平成24年7月9日、京都大學(xué)2012年度新聞索引、[平成25年2月26日檢索]、互聯(lián)網(wǎng)〈URL:http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/news_data/h/hl/news6/2012/120709_l.htm>

【發(fā)明內(nèi)容】

_3] 發(fā)明要解決的問(wèn)題
[0014]但是，在非專利文獻(xiàn)I和2所記載的熱輻射光源中，相對(duì)于波長(zhǎng)光譜的峰值波長(zhǎng)是約10 μm，在太陽(yáng)能電池中有助于光電轉(zhuǎn)換的波段在通常采用的硅系物質(zhì)中是Ι.Ομπι左右，在能夠應(yīng)對(duì)比硅系長(zhǎng)的波段的硅一鍺系物質(zhì)中也是1.5μπι左右。此外，在量子阱結(jié)構(gòu)中，由于需要將帶隙大不相同的兩種材料組合使用，能夠應(yīng)用的材料的組合受到限制，因此，只要采用量子阱結(jié)構(gòu)，就難以使峰值波長(zhǎng)達(dá)到目標(biāo)值。因而，在非專利文獻(xiàn)I和2所述的熱輻射光源中，無(wú)法提高太陽(yáng)能電池中的有助于光電轉(zhuǎn)換的光的比例，無(wú)法實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率較高的太陽(yáng)能發(fā)電。
[0015]該峰值波長(zhǎng)的選擇困難這樣的問(wèn)題并不限定于與太陽(yáng)能電池組合使用的熱輻射光源，在各種用途中也同樣產(chǎn)生。
[0016]本發(fā)明欲解決的課題在于提供一種材料的選擇余地較大、由此能夠容易地得到具有目標(biāo)的峰值波長(zhǎng)的光的熱福射光源。并且，提供一種米用該熱福射光源的、光電轉(zhuǎn)換效率較高的太陽(yáng)能發(fā)電裝置。
_7] 用于解決問(wèn)題的方案
[0018]為了解決上述課題而完成的本發(fā)明的熱輻射光源的特征在于，
[0019]該熱輻射光源具備熱一光轉(zhuǎn)換器，該熱一光轉(zhuǎn)換器具有在由本征半導(dǎo)體形成的構(gòu)件上以同波長(zhǎng)比與該本征半導(dǎo)體的帶隙相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)短的光共振的方式形成有折射率分布的光學(xué)結(jié)構(gòu)。
[0020]在本發(fā)明的熱輻射光源中，從外部向熱一光轉(zhuǎn)換器供給熱時(shí)，在本征半導(dǎo)體中吸收能量，產(chǎn)生電子從價(jià)電子帶越過(guò)帶隙而朝向傳導(dǎo)帶的熱激發(fā)。將這樣的吸收稱作“帶間吸收”。而且，通過(guò)激發(fā)了的電子越過(guò)帶隙向價(jià)電子帶躍迀而產(chǎn)生光。由于該光具有比帶隙高的能量，因此具有比與帶隙的能量Eg相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ g= hc/Eg(h是普朗克常數(shù)，c是光速)短的波長(zhǎng)。因而，由于帶間吸收而從本征半導(dǎo)體發(fā)出的光的波長(zhǎng)光譜進(jìn)入到比波長(zhǎng)K短的波段內(nèi)(圖1的(a))。以下將波長(zhǎng)λ ^爾作“截止波長(zhǎng)”。
[0021]而且，選擇性地增強(qiáng)這樣由于帶間吸收而產(chǎn)生的光中的、在所述光學(xué)結(jié)構(gòu)中共振的波長(zhǎng)(以下設(shè)為“共振波長(zhǎng)λ/’。圖1的(b)。)附近的光，將其放出到熱一光轉(zhuǎn)換器的外部(圖1的(C))。作為所述光學(xué)結(jié)構(gòu)的一例子，能夠列舉出光子晶體結(jié)構(gòu)。在光子晶體結(jié)構(gòu)中形成有周期性的折射率分布，與其周期相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)A1^的光形成駐波。另外，只要是本領(lǐng)域技術(shù)人員，就能夠按照例如專利文獻(xiàn)1、2等的公開制作能夠形成共振波長(zhǎng)λ』勺駐波的光子晶體結(jié)構(gòu)。此外，作為所述光學(xué)結(jié)構(gòu)的另一例子，能夠列舉出像后述那樣在基體上配置有多個(gè)折射率比該基體的折射率高的構(gòu)件的結(jié)構(gòu)。在該例子中，在各構(gòu)件內(nèi)形成有由該構(gòu)件的大小決定的波長(zhǎng)λ ^的光所形成的駐波。
[0022]根據(jù)以上的原理，在本發(fā)明的熱輻射光源中，發(fā)出使共振波長(zhǎng)為峰值波長(zhǎng)、具有線寬比熱輻射的光譜的線寬窄的波長(zhǎng)光譜的熱輻射光。
[0023]另外，在所述光學(xué)結(jié)構(gòu)中，不僅產(chǎn)生共振波長(zhǎng)λ ^的光，在波長(zhǎng)比該共振波長(zhǎng)λ Jg的短波長(zhǎng)側(cè)也可產(chǎn)生共振(高階共振)。但是，由于根據(jù)黑體輻射光譜的強(qiáng)度決定熱輻射的強(qiáng)度的最大值，該黑體輻射光譜的強(qiáng)度隨著朝向短波長(zhǎng)側(cè)行進(jìn)而急劇地減少，因此，能夠充分地抑制由尚階共振引起的發(fā)光。
[0024]本征半導(dǎo)體的帶隙的大小根據(jù)溫度而發(fā)生變化。此外，熱一光轉(zhuǎn)換器內(nèi)的共振波長(zhǎng)由所述光學(xué)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)決定，因此并不依賴于溫度，但由于溫度變化而折射率發(fā)生變化，隨之光速發(fā)生變化。因而，共振波長(zhǎng)由于溫度而發(fā)生變化。因此，根據(jù)使用本發(fā)明的熱輻射光源時(shí)的加熱溫度的本征半導(dǎo)體的帶隙的大小和折射率決定截止波長(zhǎng)Ag和共振波長(zhǎng)λ r即可。
[0025]在本發(fā)明中，由于采用本征半導(dǎo)體，因此，與采用組合兩種半導(dǎo)體而成的量子阱結(jié)構(gòu)的情況相比材料的選擇余地更大。因此，能夠容易地得到發(fā)出與目標(biāo)波長(zhǎng)相應(yīng)的光的熱輻射光源。所述本征半導(dǎo)體可以采用Si(硅)、SiC(碳化硅)、Cu20(氧化銅(I))等各種材料。截止波長(zhǎng)中是約1700nm(1400K)、在3C-SiC(SiC中的具有被稱作“3C”的立方晶結(jié)構(gòu)的物質(zhì))中是約800nm(2200K)、在Cu2O中是約900nm(1200K)。另外，在此表示的截止波長(zhǎng)λg是在括號(hào)內(nèi)表示的溫度下的值，這些溫度是針對(duì)每種本征半導(dǎo)體考慮熔點(diǎn)(S1:1687K、3C-SiC:3100K、Cu20:1505K)而決定的、使用熱輻射光源時(shí)的溫度的一例子。
[0026]在共振波長(zhǎng)λ 過(guò)于接近截止波長(zhǎng)λ ^寸，熱福射光的波長(zhǎng)光譜的長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)的拖尾會(huì)被截止，因此，期望比截止波長(zhǎng)Ag短一定程度。例如期望的是，共振波長(zhǎng)λ 本征半導(dǎo)體是Si的情況下是1600nm以下(溫度1400K)，在本征半導(dǎo)體是3C_SiC的情況下共振波長(zhǎng)λ r是約750nm以下(2200K)，在本征半導(dǎo)體是Cu 20的情況下共振波長(zhǎng)λ ^是約850nm以下(1200K)ο
[0027]期望的是，所述光學(xué)結(jié)構(gòu)相對(duì)于欲從熱輻射光源放出熱輻射光的方向具有非對(duì)稱性。在沒(méi)有這樣的非對(duì)稱性的情況(即相對(duì)于所述方向?qū)ΨQ的情況)下，以相同的強(qiáng)度向該方向和與該方向相差180°的方向放出熱輻射光，而在具有這樣的非對(duì)稱性的情況下，能夠以更大的強(qiáng)度向一個(gè)方向放出熱輻射光。
[0028]作為所述光學(xué)結(jié)構(gòu)的一例子，能夠列舉出在由本征半導(dǎo)體形成的板狀構(gòu)件上周期性地設(shè)置折射率與板狀構(gòu)件的折射率不同的區(qū)域(不同折射率區(qū)域)而成的二維光子晶體結(jié)構(gòu)。不同折射率區(qū)域既可以采用空孔(空氣或真空)，也可以采用由與所述本征半導(dǎo)體不同的材料構(gòu)成的構(gòu)件。在該例子中，在熱一光轉(zhuǎn)換器內(nèi)形成有由不同折射率區(qū)域的配置周期的長(zhǎng)度決定的波長(zhǎng)的駐波。此外，在該例子的光子晶體結(jié)構(gòu)中，期望的是，不同折射率