[論文レビュー] A simple radiative thermal diode

Elyes Nefzaoui, Jérémie Drevillon+2 more|Jun 26, 2013

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 2被引用数 32

ひとこと要約

本論文では、二つの多層選択的放射体（金と不純物濃度の高いシリコン）を用いた遠方放射熱ダイオードを提案する。一方の放射体の放射率は温度依存的であり、他方は温度非依存的であるため、非対称な熱移動が可能となる。このデバイスは200 Kの温度差において最大70%の熱整流を達成し、放射熱ベースの熱整流素子としては記録を更新する。

ABSTRACT

We present a thermal rectification device concept based on far-field radiative exchange between two selective emitters. Rectification is achieved due to the fact that one of the selective emitters radiative properties are independent on temperature whereas the other emitter properties are strongly temperature dependent. A simple device constituted by two multilayer samples made of metallic (Au) and semiconductor (Si and HDSi) thin films is proposed. This device shows a rectification up to 70% with a temperature difference ΔT = 200 K, a rectification ratio that has never been achieved so far with radiation-based rectifiers. Further optimization would allow larger rectification values. Presented results might be useful for energy conversion devices, smart radiative coolers / insulators engineering and thermal modulators development.

研究の動機と目的

• 従来の導電性ベースまたは近接場型整流素子に起因する制限を克服し、実験的に実現可能な実用的熱ダイオードの設計を目的とする。
• 近接場やナノスケールデバイスよりも現実の応用に適した遠方放射を用いて、高い熱整流比を達成することを目的とする。
• スペクトル的に調整可能な温度依存の選択的放射体を活用し、異なる動作温度およびスペクトル範囲で高い整流比を実現することを目的とする。
• 中程度の温度差下で、単純な多層金属および半導体構造を用いて70%を超える熱整流が可能であることを実証することを目的とする。
• 熱管理、エネルギー変換、スマート熱制御デバイスに向けたスケーラブルで材料ベースのソリューションを提供することを目的とする。

提案手法

• デバイスは、ウィーン波長よりもはるかに大きな真空中のギャップを介して平行に配置された二つの平面状選択的放射体から構成され、遠方放射が支配的となるように設計されている。
• 一つ目の放射体（金）は、温度依存のドレーディー模型を用いて誘電関数をモデル化し、プラズマ周波数と減衰係数が温度に応じて変化する。
• 二つ目の放射体（不純物濃度の高いシリコン）は、キャリア移動度と減衰係数が温度に依存するが、プラズマ周波数は一定の温度依存ドレーディー模型を用いる。
• 放射熱フラックスは遠方放射熱伝達方程式を用いて計算され、反射率と放射率に基づくキルヒホッフの法則から透過係数が導出される。
• 整流係数は、対称的な温度反転（500 K と 300 K）における前向きと逆向きの熱フラックスの相対差として計算される。
• 金、不純物濃度の高いシリコン、および本質的シリコンの温度依存光学的特性は、既知の物理的関係および文献データを用いてモデル化されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遠方放射熱ダイオードは、温度依存と温度非依存の選択的放射体のみを用いても高い整流比を達成できるか？
• RQ2 中程度の温度差下で、金とドーピングされたシリコンからなる単純な多層構造が、最大どの程度の熱整流比を達成できるか？
• RQ3 ドーピングされたシリコンにおけるキャリア移動度と減衰係数の温度依存性が、放射熱フラックスの非対称性にどのように影響するか？
• RQ4 提案されたデバイスは、既存の放射熱ベースの熱整流素子と比較して、整流効率において優れているか？
• RQ5 発光体材料の設計を工夫することで、どの程度のスペクトル範囲で整流性能を調整可能か？

主な発見

• 提案された放射熱ダイオードは、200 Kの温度差で最大70%の熱整流比を達成し、これまで報告された放射熱ベースの整流素子の値を著しく上回っている。
• 高い整流は、不純物濃度の高いシリコンにおける放射率の強い温度依存性に起因し、金の放射率は温度範囲内でほぼ一定である。
• デバイスは遠方領域で動作するため、近接場やナノスケールデバイスと比較して実験的に実現可能でスケーラブルである。
• 適切な選択的放射体を用いて、温度依存光学特性を調整することで、異なるスペクトル範囲にわたって整流性能を調整可能である。
• 理論的分析により、整流はドーピングされたシリコン層における放射率の非対称な温度依存性に起因し、金層との放射結合を制御していることが確認された。
• 多層構造のさらなる最適化により、70%を超える整流比が達成可能であり、実用的な熱管理およびエネルギー変換アプリケーションへの強い可能性を示している。