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新しい熱エネルギーを電気に変える技術「ほぼ一桁高い出力と6倍高い効率」

熱エネルギーを電気に変えるアプローチが実証がされました。
従来の遠距離熱光起電力法（FF-TPV）と比べ、ほぼ一桁高い出力密度と6倍高い効率化されているようです。

Army-funded research demonstrated a new approach to turning thermal energy into electricity that could provide compact and efficient power for Soldiers on future battlefields.

参照元：https://www.army.mil/article/249779/turning_thermal_energy_into_electricity_could_help_soldiers
– 米国陸軍研究所 U.S. Army Research Laboratory. August 30, 2021 –

センサーや通信手段の増加に伴い、軽量で持ち運び可能な電力を供給することはさらに困難になっています。

陸軍が資金提供した研究では、熱エネルギーを電気に変える新しいアプローチが実証され、将来の戦場で兵士たちに小型で効率的な電力を提供できる可能性が示されました。

高温の物体は、フォトンという形で周囲に光を放射します。

放出された光子は、太陽電池によって捕捉され、有用な電気エネルギーに変換されます。

このようなエネルギー変換方法は、遠距離熱光起電力法（FF-TPV）と呼ばれ、長年にわたって開発が進められてきましたが、電力密度が低いため、発光体の動作温度を高くする必要があります。

今回、ミシガン大学で行われた研究は、Nature Communications誌に掲載され、エミッターと太陽電池の間の距離をナノスケールにまで縮めることで、同じエミッター温度であればFF-TPVよりもはるかに大きな出力を可能にするという新しいアプローチを示しています。

ニアフィールドサーモフォトボルテック（NF-TPV）と呼ばれるこの手法は、エミッターの近接場に閉じ込められていたエネルギーを取り込むことができ、近接場での動作条件に最適なカスタムメイドの太陽電池セルとエミッターの設計を採用しています。

ミシガン大学機械工学科のエドガー・メイホーファー教授によると、この技術は、これまで報告されてきた近接場型TPVシステムよりもほぼ一桁高い出力密度と、6倍高い効率を示し、将来の近接場型TPVアプリケーションへの道を開くものです。

米国陸軍戦闘能力開発コマンドの陸軍研究所のマイク・ウェイツ博士は話します。

「陸軍は配備や戦場で大量の電力を使用しており、兵士や重量に制約のあるシステムが持ち運ぶ必要があります。「もし成功すれば、将来的には、近赤外TPVは、従来のTPVよりも低い動作温度で機能することができるため、兵士にとってよりコンパクトで高効率な電源として機能する可能性があります。」

TPVデバイスの効率は、エミッターと太陽電池の間の全エネルギー移動のうち、どれだけが太陽電池内の電子-正孔ペアの励起に使われたかによって特徴づけられます。

エミッターの温度を上げると、太陽電池のバンドギャップを超える光子の数が増える一方で、太陽電池を加熱するサブバンドギャップ光子の数は最小限に抑える必要があります。

ミシガン大学のStephen Forrest教授（電気・コンピュータ工学）は話します。

「超平坦な表面と金属製の背面反射板を備えた薄膜TPVセルを作製することで、これを実現しました。セルのバンドギャップ以上の光子は、厚さ数ミクロンの半導体に効率よく吸収され、バンドギャップ以下の光子は、シリコンエミッターに反射して再利用されます。」

研究チームは、厚い半導体基板上に薄膜インジウム・ガリウム・ヒ素太陽電池を成長させた後、セルの非常に薄い半導体活性領域を剥がしてシリコン基板に転写しました。

このようなデバイス設計と実験手法の革新により、斬新な近接場型TPVシステムが実現しました。

ミシガン大学の機械工学教授であるPramod Reddy博士は話します。

「このチームは、これまで文献で報告されていたシステムよりも一桁大きい、～5kW/m2という記録的な出力を達成しました。」

また、最新の理論計算を行って、各温度とギャップサイズにおける太陽電池の性能を推定したところ、実験と計算による予測がよく一致しました。

本研究に資金提供したDEVCOM ARLのプログラムマネージャーであるPani Varanasi博士は話します。

「今回のデモンストレーションは、ナノスケールでの放射熱伝達の理論的予測を満たしており、電力・エネルギー、通信、センサーなどの陸軍アプリケーションのために、将来の近距離場のTPVデバイスを開発する可能性を直接的に示しています。」

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