酸化・還元法を用いた金属表面への微細構造作製による輻射熱吸収材料の創製田村直也 Tanaka Lab. 大阪大学工学部応用理工学科マテリアル生産科学科目マテリアル科学コース背景エネルギー資源の枯渇再生可能エネルギーの利用が注目されている代表例半導体原理地上での太陽光スペクトル太陽電池の感知領域 e- バンドギャップ UV, VIS × e- e- 価電子帯電磁波の種類小エネルギー大 UV 見えない VIS UV e- 赤外線見えない赤外線 2000 1000 0 0 太陽光発電では VIS 赤外線 Intensity [W/ m2μm ] 伝導帯太陽光発電 0.5 2.0 1.5 2.5 Wavelength [μm] 3.0 太陽光の約半分を占める赤外線領域の光を有効利用できていない TPV （Thermo PhotoVoltaic:熱光起電力）発電放射面吸収面吸収したエネルギーを波長変換して放出全波長域の電磁波をできる限り多く吸収先行研究例 Yugami et al. : Appl. Phys. Lett. 2003 レーザーによる周期加工太陽電池 Yang, Wenming et al. : Energy Conversion and Management. 2014 変換前赤外線 UV VIS 赤外線 Intensity UV VIS Intensity TPV発電イメージ図変換後 Wavelength [μm] Wavelength [μm] 赤外線領域の光を有効利用可能 TPVを用いた製鉄所の未利用熱の利用本研究では太陽光は熱源として不安定製鉄所の未利用熱に注目夜間、雨天時など年中、天候、昼夜を問わず鉄を生産熱源に製鉄所の輻射熱金属固体素子 INPUT OUTPUT 太陽電池 JFEスチール http://www.jfe-steel.co.jp/works/east/ keihin/process04.html 吸収面輻射光の吸収量増加が課題材料には TPV発電吸収面に用いる放射面先行研究を用いることを想定製鋼工程の輻射熱に耐えうる高融点金属Moを選択高い光吸収率を持つMo系材料作製を試みる目的表面構造を変化させて Mo光吸収率を向上させる必要有り一般に金属は光を反射酸化・還元法本研究室の研究結果 Porous Metal Metal 酸化 A. Absorbance of Cu [%] Cu基板表面の微細孔構造 M.Suzuki, T. Yamamoto et al. : Materials Transactions 自発的、簡易的かつ広範囲に微細構造形成還元 100 80 酸化・還元Cu 鏡面Cu 60 40 20 0 300 600 900 12001500180021002400 Wavelength [nm] 城谷勇介大阪大学工学研究科修論鏡面Cuに比べて光吸収率向上目的酸化・還元法によって高融点金属Moに表面微細構造を形成させ、光吸収率を向上させる Mo 酸化還元実験方法酸化 Arガス 1073K 30分 (80% Ar, 20%O2) Mo線 Ar-O2またはH2ガス還元 Mo基板 873K 60分 (100% H2) ヒーター表面状態観察 SEM, XRD 排ガス光吸収率測定紫外可視光近赤外分光光度計石英管酸化還元炉概略図各Mo試料の表面状態酸化.1073K 30分酸化.1073K 30分還元.873K 60分表面 S E M 画像 3~10μmの棒状組織結晶粒に針状組織存在酸化物存在金属のみ存在ー X R D パタン各Mo試料の光吸収率測定結果酸化.1073K 30分還元.873K 60分酸化.673K 30分酸化.1073K 30分酸化.1073K 30分還元.873K 60分鏡面鏡面状態に比べて酸化・還元Moの光吸収率は最大7倍向上再酸化Moの光吸収率は最大9倍向上 TPV発電実験方法 TPV発電実験暗室にて測定冷却水シンク放射温度計太陽電池雰囲気：真空アルミナ管石英ガラス管 Mo基板 Mo箔黒鉛高周波炉太陽電池鏡面 TPV発電実験概略図 Mo基板 ① 黒鉛を1343Kに昇温鏡面 ② 放射温度計を用いてMo温度計測 ③ 300秒間、起電力測定 or 黒鉛酸化・還元 or 再酸化 TPV発電によって得られた結果 Mo基板表面温度 (K) 黒鉛 1343K 試料名鏡面研磨Mo 酸化・還元Mo 再酸化Mo 温度K 1053 1233 1287 180 234 鏡面Moとの温度差酸化・還元処理を施したMo試料は鏡面Moよりも表面温度が約200K高い黒鉛1343K 酸化・還元Moからは鏡面状態よりも最大1.5倍高い起電力を得られたエネルギー試算本研究結果と先行研究結果を用いて TPV発電により得られる電力を計算製鉄所の未利用熱を熱源転炉連続鋳造 JFEスチール http://www.jfe-steel.co.jp/works/east/keihin/process04.html 金属固体素子太陽電池 ① 熱源からの輻射熱を計算 ② 金属Moの吸収率（本研究結果 80%)・放射率を用いて基板の温度を算出 ③ 先行研究結果を用いて太陽電池から取り出せる電気エネルギーを計算熱源の温度 (K) 1773（溶鉄の温度） 1273（連続鋳造付近） Mo基板の温度 (K) 1470 1187 電気エネルギー (W/m2) 450 120 太陽光発電は100(W/m2) 太陽光発電の4.5倍結言酸化・還元処理したMoは微細構造を形成し、鏡面Moに比べて光吸収率が大幅に向上した。金属固体素子太陽電池 TPV発電固体素子の吸収面として用いると、鏡面Moよりも高い表面温度を示した。同時に、より高い起電力が得られた。酸化・還元処理の有効性熱源を製鉄所に未利用熱と仮定してTPV発電エネルギー試算を行った結果、太陽光発電以上の電力が得られる試算結果を得た。製鉄所の未利用熱利用への可能性