TiCN中のタングステンカーバイドの電子構造と光学特性の非経験的計算

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9407 (2023) この記事を引用

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TiCN ベースのサーメットの主成分である炭化タングステン WC の電子構造と光学的特性を理解するための非経験的計算を紹介します。 TiCN系サーメットは切削工具として広く使用されており、使用後は通常通り廃棄されます。 一方、サーメット自体も太陽光吸収フィルムの原料として有名です。 WC は \(\sim\) 0.6 eV (2 \(\upmu\)m) というかなり低いエネルギーのプラズマ励起を有しており、したがって太陽光選択的吸収体の優れた構成要素となり得ることがわかりました。 評価された光熱変換性能指数は、TiCN 系サーメットに含まれる他の材料と比較して際立って高い。 誘電関数の虚数部は、プラズマ励起エネルギーに対応する誘電関数の実数部のゼロ点付近でかなり小さくなります。 したがって、明確なプラズマエッジが現れ、太陽光吸収体としての WC の高い性能が確保されました。 廃棄されたTiCN系サーメット切削工具は、適切な処理や改質を経て太陽光吸収膜としてリサイクルできるため、これは興味深い点です。

化石燃料の再生可能エネルギー源への置き換えは、近年集中的に研究されています。 太陽エネルギーは、豊富に存在するため、世界的なエネルギー問題を解決する有望な代替手段と考えられています1。 持続可能で環境に優しい技術を探求することは、太陽エネルギー収集の実用化を達成するために重要であると考えられています。 太陽光発電変換は、太陽光発電から直接電力を生成する最も普及している技術です。 一方、太陽光から熱エネルギーを得るためにサーメットベースの太陽光吸収材も商品化されています2。 集光型太陽光発電所は蒸気タービンで発電する実証済みの技術の一つです。 太陽が照っていなくなったときに、熱エネルギーを蓄えて発電することができます。 熱エネルギー貯蔵は、他のエネルギー貯蔵システム（バッテリーなど）よりも大幅に安価です3。 しかし、太陽熱システムを改善するには、人工太陽熱吸収材の 3 つの限界が確認されています4。 まず、高効率の太陽光吸収体は、サブ波長構造のメタマテリアルを使用した複雑な設計を通じて製造されます。 第 2 に、従来の準備方法では、多層表面を作成するために高価な真空ベースの蒸着装置と高純度のターゲットが必要です。 第三に、長期の高温動作中にスペクトル選択吸収率を維持するには熱安定性が不十分です。

サーメットは金属とセラミックの複合体であり、硬度、熱安定性、抗酸化特性を備えています。 典型的な太陽光吸収体を図 1a1、2 に示します。 サーメットベースの太陽光吸収体は、吸収体としてのサーメット層と、上部の反射防止層および下部の赤外線反射体で構成されています。 太陽光選択吸収材は、太陽光吸収材としての高い性能を発揮するために重要な役割を果たします。 黒体の放射力は高温では大幅に増加し、吸収体からの放射熱損失が大きくなります。 理想的な太陽光選択吸収体は、図 1b の緑色の線で示されているように、カットオフ波長 2.0 \(\upmu\)m で高い太陽光吸収率と低い熱放射率を備えている必要があります5。 サーメットベースの吸収体は、金属粒子を含む酸化物についてよく研究されています。 複合材料の誘電関数は、金属の体積分率を増加させて、Bruggeman 近似によって分析される吸収ピークの周波数を減少させることによって制御されます3。

(a) 反射防止層、サーメット層、赤外線反射層からなるサーメット系太陽光吸収体の模式図。 (b) 日射吸収体として求められる光学性能を示す模式図。 赤い実線の曲線は、0.3 ～ 2.0 \(\upmu\)m の範囲の太陽光のスペクトル パワーを表し、青い実線の曲線は黒体の熱放射のスペクトル パワーを示します。 したがって、2 \(\upmu\)m は、高い太陽光吸収率と低い熱放射率を保証するカットオフ波長です。 理想的には、吸収率スペクトル \(A(\lambda )\) が緑色の実線で表される材料が日射吸収体として好ましい。