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エネルギー科学：エアブリッジ熱光起電力電池におけるほぼ完全な光子利用
Nature 586, 7828 doi: 10.1038/s41586-020-2717-7
熱光起電力電池は、太陽電池に似ているが、太陽放射を電気に変換する代わりに局所的に放射された熱を利用するよう設計されている。高効率な熱光起電力電池の開発は、グリッドスケールの熱エネルギー貯蔵、直接的な太陽エネルギー変換、分散型コジェネレーション、廃熱捕集において幅広く応用できる可能性がある。熱光起電力電池が高い効率を達成するには、放射熱源の幅広いスペクトルを利用しなければならない。ところが、熱放射の大半は、電子遷移の励起や発電に使用できない低エネルギー波長域にある。この難題を克服する有望な方法の1つは、低エネルギー光子を反射させて熱エミッターに再吸収させることで、この場合、そのエネルギーは、電池内での光生成に寄与する機会をもう一度得ることができる。しかし、現行の光子回収方法は、不十分な帯域幅や寄生吸収による制約を受けており、理論限界と比較して効率の損失が大きい。今回我々は、In0.53Ga0.47As薄膜電池内に空気層（エアブリッジ）を組み込むことによって、低エネルギー光子のほぼ完全な反射を実証する。こうした光子利用の結果、寄生吸収は既存の熱光起電力電池と比べて4分の1に低下した。得られた絶対効率の利得は6％を超え、約1455 Kの炭化ケイ素エミッターを用いた測定では30％を超える非常に高い電力変換効率が得られた。帯域外反射率が1に近づくと、熱光起電効率は、電池のバンドギャップの増大やエミッター温度の低下に対する感受性がほぼなくなる。この領域を利用することで、これまで熱光起電力エネルギー変換に利用できなかったさまざまな材料や熱源の可能性が開かれるかもしれない。
