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波長選択性太陽光吸収材料及びその製造方法 コモンズ 新技術説明会

国内特許コード P03A003380
整理番号 U2001P258
掲載日 2004年1月23日
出願番号 特願2002-131833
公開番号 特開2003-332607
登録番号 特許第3472838号
出願日 平成14年5月7日(2002.5.7)
公開日 平成15年11月21日(2003.11.21)
登録日 平成15年9月19日(2003.9.19)
発明者
  • 湯上 浩雄
  • 齋 均
出願人
  • 学校法人東北大学
発明の名称 波長選択性太陽光吸収材料及びその製造方法 コモンズ 新技術説明会
発明の概要 熱安定性に優れ、高温での長期間の使用に耐えることができる高効率の波長選択性太陽光吸収材料及びその製造方法を提供する。太陽熱エネルギを電気エネルギに変換する熱光起電力発電システムの太陽受熱器に用いられる波長選択性太陽光吸収材料であって、耐熱性基板からなり、入射面に二次元配列されて周期的な表面微細凹凸パターンを形成する多数のキャビティ15,26b,31,31Aを有し、キャビティは太陽光の特定波長と実質的に同じ長さの開口径および所定の深さに形成され、かつ所定のスペクトル拡散反射率、スペクトル吸収率、スペクトル放射率を備えている。
従来技術、競合技術の概要 太陽熱エネルギの有効利用を図るために、種々の波長選択性をもつ太陽光吸収材料が研究されており、例えばブラッククロムなどの酸化物の物性を利用した太陽光吸収材料が実用化されている。ブラッククロム酸化物は低コストであるという理由から様々な分野に広く普及している。ブラッククロム酸化物は例えばE.Wackelgard, Characterization of black nickel solar absouber coatings electroplated in a nickel chlorine aqueous solution, Sol.Energy Mater.& Sol.Cells 56(1998)35-44などの文献に記載されている。しかし、ブラッククロム酸化物は高温での耐性が無く、また放射率の波長変化が急峻でないため、給湯などの低温熱利用のみに使用範囲が限られている。例えば T.H.Destifano, G. D. Pettit et al. Conformal antireflective coatingson a textured tungsten surfaces, Applied Physics Letters 32(1978)676-677.には、タングステン酸化物の表面にランダムな構造体を作成することにより選択的な太陽光吸収材料を実現しようとする提案がなされているが、その構造は周期性が無く、光の波長より十分大きいため、単に光の乱反射を用いることにより太陽光を吸収させている。この場合も耐熱性や放射率の波長依存性から、中温度領域以下での使用に限定される。また、例えば、W.F.Bogaerts and C.M. Lampert, Materials for photothermal solar energy conversion, J. Mater. Sci. 18(1983)2847-2875.には、誘電体多層膜からなる太陽光吸収材料が提案されている。しかし、誘電体多層膜は耐熱性が低いので、この場合も使用範囲がせいぜい中温度領域以下に限定される。
産業上の利用分野 太陽熱を利用して発電や給湯を行う太陽エネルギ利用産業分野および宇宙環境での熱利用機器を開発する宇宙産業分野において用いられる波長選択性太陽光吸収材料及びその製造方法
特許請求の範囲 【請求項1】 太陽熱エネルギを電気エネルギに変換する熱光起電力発電システムに用いられる耐熱性基板からなる波長選択性太陽光吸収材料であって、この耐熱性基板の太陽光入射面に、可視光および近赤外線の波長領域での特定波長太陽光の波長と実質的に同じ周期構造を有する二次元配列された周期的な表面微細凹凸パターンを形成してなり、この表面微細凹凸パターンを構成する多数のキャビティは、可視光および近赤外線の波長領域での特定波長太陽光の波長と実質的に同じ長さの開口径および所定の深さに形成され、かつ所定のスペクトル拡散反射率、所定のスペクトル吸収率、所定のスペクトル放射率を備えていることを特徴とする波長選択性太陽光吸収材料。
【請求項2】 前記キャビティは、平面視野において入射面に格子状に配列されていることを特徴とする請求項1記載の材料。
【請求項3】 前記キャビティの開口比を0.5~0.8の範囲とすることを特徴とする請求項1記載の材料。
【請求項4】 前記キャビティのアスペクト比を0.7~3.0の範囲とすることを特徴とする請求項1記載の材料。
【請求項5】 前記耐熱性基板は、入射する太陽熱により前記スペクトル拡散反射率、前記スペクトル吸収率および前記スペクトル放射率をそれぞれ劣化させない高融点金属からなることを特徴とする請求項1乃至4のうちのいずれか1記載の材料。
【請求項6】 前記耐熱性基板は、融点が1700℃以上の高融点金属からなることを特徴とする請求項1乃至4のうちのいずれか1記載の材料。
【請求項7】 前記耐熱性基板は、タングステン、タングステン基合金、モリブデン又はモリブデン基合金のいずれかからなることを特徴とする請求項1乃至4のうちのいずれか1記載の材料。
【請求項8】 太陽熱エネルギを電気エネルギに変換する熱光起電力発電システムに用いられる耐熱性基板からなる波長選択性太陽光吸収材料の製造方法において、金属アルミニウムシートを陽極酸化し、さらに所定のエッチング法を用いて前記陽極酸化シートを処理することにより規則配列された多数の孔を有するアルミナ膜からなるマスクを得る工程と、前記アルミナ膜マスクを耐熱性基板の上に載置し、所定のエッチングガスを用いるドライエッチングエッチング法により前記耐熱性基板の太陽光入射面に、可視光および近赤外線の波長領域での特定波長太陽光の波長と実質的に同じ周期構造を有する二次元配列された周期的な表面微細凹凸パターンを転写形成する工程と、所定のエッチング法を用いて前記基板から前記アルミナ膜マスクを除去し、前記表面微細凹凸パターンを太陽光の波長と実質的に同じ長さの開口径をもつ多数のキャビティとし、これらのキャビティが前記基板の表面において周期的に二次元配列されたものとする工程と、を具備することを特徴とする波長選択性太陽光吸収材料の製造方法。
【請求項9】 前記マスク作製工程は、金属アルミニウムシートの表面を酸溶液により陽極酸化し、前記金属アルミニウムシートからアルミナ層を除去した後に、さらに前記陽極酸化条件と実質的に同じ条件で前記シートの表面を陽極酸化する二段陽極酸化処理工程と、所定のエッチング法により前記シートから金属アルミニウム部分を除去して表面凹凸アルミナ膜を得る分離工程と、所定のエッチング法を用いて、前記表面凹凸アルミナ膜の裏面側からバリア層を除去して該凹凸アルミナ膜の凹部を貫通させることにより多数の孔を形成するとともに、これらの貫通孔をさらに拡張して規則配列された孔とする開口拡張処理工程と、を具備することを特徴とする請求項8記載の方法。
【請求項10】 前記パターン転写工程のドライエッチング法にはSF6ガスの高速原子線(Fast Atom Beam)エッチング法を用いることを特徴とする請求項8又は9のいずれか一方に記載の方法。
産業区分
  • 固体素子
  • 太陽熱利用
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 権利存続中
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