特許 7572731 光熱変換素子および、その製造方法、光熱発電装置ならびに微小物体の集積システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-16

(45)【発行日】2024-10-24

(54)【発明の名称】光熱変換素子および、その製造方法、光熱発電装置ならびに微小物体の集積システム

(51)【国際特許分類】

   H10N 10/13 20230101AFI20241017BHJP

   H10N 10/01 20230101ALI20241017BHJP

   H10N 10/17 20230101ALI20241017BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20241017BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20241017BHJP

【ＦＩ】

H10N10/13

H10N10/01

H10N10/17 A

H02N11/00 A

B23K26/00 G

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021543083

(86)(22)【出願日】2020-08-28

(86)【国際出願番号】 JP2020032761

(87)【国際公開番号】W WO2021040023

(87)【国際公開日】2021-03-04

【審査請求日】2023-07-31

(31)【優先権主張番号】P 2019157187

(32)【優先日】2019-08-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度 国立研究開発法人科学技術振興機構 未来社会創造事業 「低侵襲ハイスループット光濃縮システムの開発」委託事業 産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願、平成２９年度 国立研究開発法人科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業（さきがけ）「低温廃熱回収を目的とした熱電変換材料及びデバイスの開発」委託事業 産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】519135633

【氏名又は名称】公立大学法人大阪

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】飯田 琢也

(72)【発明者】

【氏名】小菅 厚子

(72)【発明者】

【氏名】床波 志保

【審査官】柴山 将隆

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－２５４９４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１９５８７２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／１７０７５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／０３７８７６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００９－２８３７８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ １０／１３

Ｈ１０Ｎ １０／０１

Ｈ１０Ｎ １０／１７

Ｈ０２Ｎ １１／００

Ｂ２３Ｋ ２６／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体材料を準備するステップと、
前記固体材料にレーザ光を照射することで加工された加工領域を形成するステップとを備え、
前記形成するステップは、前記加工領域が黒色化するように前記固体材料を微粒子化させるステップを含み、
前記加工領域は、前記固体材料からなる集積化された複数の微粒子を含み、
前記複数の微粒子は、光照射により、前記複数の微粒子の各々の表面に局在表面プラズモン共鳴を生じさせる、光熱変換素子の製造方法。

【請求項2】

前記形成するステップは、前記加工領域に微細溝が切削されるように前記レーザ光を走査するステップを含む、請求項１に記載の光熱変換素子の製造方法。

【請求項3】

前記固体材料は、熱電効果を示す熱電材料と、金属薄膜とのうちの少なくとも一方を含む、請求項１または２に記載の光熱変換素子の製造方法。

【請求項4】

固体材料を備え、
前記固体材料は、前記固体材料からなる複数の微粒子が集積することで前記固体材料が黒色化した領域を含み、
前記複数の微粒子は、光照射により、前記複数の微粒子の各々の表面に局在表面プラズモン共鳴を生じさせる、光熱変換素子。

【請求項5】

前記固体材料は、熱電効果を示す熱電材料と、金属薄膜とのうちの少なくとも一方を含む、請求項４に記載の光熱変換素子。

【請求項6】

発電した電力を負荷に供給可能な光熱発電装置であって、
請求項４または５に記載の光熱変換素子と、
前記光熱変換素子に熱的に接続され、熱を電気に変換する熱電変換部とを備え、
前記熱電変換部は、
Ｐ型熱電素子と、
前記Ｐ型熱電素子の低温側に電気的に接続された第１電極と、
Ｎ型熱電素子と、
前記Ｎ型熱電素子の低温側に電気的に接続された第２電極とを含み、
前記第１電極と前記第２電極とは、前記負荷に接続される、光熱発電装置。

【請求項7】

前記光熱変換素子と、前記Ｐ型熱電素子および前記Ｎ型熱電素子のうちの一方とは、一体的に光熱変換熱電素子を構成する、請求項６に記載の光熱発電装置。

【請求項8】

基板と、
前記基板上に配置された金属薄膜とを備え、
前記金属薄膜は、前記金属薄膜の材料からなる複数の微粒子が分散することで前記金属薄膜が黒色化した領域を含み、
前記複数の微粒子は、光照射により、前記複数の微粒子の各々の表面に局在表面プラズモン共鳴を生じさせる、光熱変換素子。

【請求項9】

液体に含まれる複数の微小物体を集積する、微小物体の集積システムであって、
請求項８に記載の光熱変換素子を保持するように構成されたホルダと、
前記複数の微粒子の各々の表面に局在表面プラズモン共鳴を生じさせる光を発する光源とを備え、
前記光源は、前記液体が前記領域上に保持された状態における前記領域への光照射により前記液体中に対流を生じさせることによって、前記複数の微小物体を集積する、微小物体の集積システム。

【請求項10】

前記液体は、前記領域の上面に保持され、
前記光源からの光は、前記領域の下方から上方に向けて照射され、
前記金属薄膜の厚みは、前記領域が前記光源からの光に対して光透過性を有するように定められている、請求項９に記載の微小物体の集積システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光熱変換素子、光熱変換素子の製造方法、光熱変換素子を用いた光熱発電装置、および、光熱変換素子を用いた微小物体の集積システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、太陽光などの白色光を熱に変換して、その熱を利用する光熱変換素子が注目されている。光熱変換素子の製造には、化学的処理を含む複雑な方法が用いられることが多い。そのため、より簡易な製造方法によって光熱変換素子を製造する技術が提案されている。

【0003】

たとえば特開２０１３－２５４９４０号公報（特許文献１）に開示された光熱変換素子は、複数の金属ナノ粒子集積構造体と、基板とを備える。複数の金属ナノ粒子集積構造体の各々は、複数の金属ナノ粒子が集積されることによって形成されている。基板は、複数の金属ナノ粒子集積構造体が固定された固定面を有する。この固定面には、複数の金属ナノ粒子集積構造体が密集した領域が形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１３－２５４９４０号公報

【文献】国際公開第２０１７／１９５８７２号

【文献】特開２０１７－２０２４４６号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】Atsuko Kosuga, Yasuyuki Yamamoto, Moe Miyai, Mie Matsuzawa, Yushi Nishimura, Shimpei Hidaka, Kohei Yamamoto, Shin Tanaka, Yojiro Yamamoto, Shiho Tokonami and Takuya Iida, "A high performance photothermal film with spherical shell-type metallic nanocomposites for solar thermoelectric conversion", Nanoscale, 2015, 7, 7580-7584

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

光を熱に変換する光熱変換素子においては、できるだけ高効率に光を熱に変換可能であることが求められる。さらに、そのような光熱変換素子を簡易な製造方法によって製造できることが要望される。

【0007】

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、本開示の目的は、高効率に光を熱に変換可能な光熱変換素子を提供することである。本開示の他の目的は、光熱変換素子の簡易な製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

（１）本開示のある局面に従う光熱変換素子の製造方法は、固体材料を準備するステップと、固体材料にレーザ光を照射することで加工された加工領域を形成するステップとを備える。形成するステップは、加工領域が黒色化するように固体材料を微粒子化させるステップを含む。

【0009】

（２）形成するステップは、加工領域に微細溝が切削されるようにレーザ光を走査するステップを含む。

【0010】

（３）固体材料は、熱電効果を示す熱電材料と、金属薄膜とのうちの少なくとも一方を含む。

【0011】

（４）本開示の他の局面に従う光熱変換素子は、固体材料を備える。固体材料は、固体材料からなる複数の微粒子が分散することで前記固体材料が黒色化した領域を含む。複数の微粒子は、光照射により、複数の微粒子の各々の表面に局在表面プラズモン共鳴を生じさせる。

【0012】

（５）固体材料は、熱電効果を示す熱電材料、金属薄膜とのうちの少なくとも一方を含む。

【0013】

（６）本開示のさらに他の局面に従う光熱発電装置は、発電した電力を負荷に供給可能である。光熱発電装置は、光熱変換素子と、光熱変換素子に熱的に接続され、熱を電気に変換する熱電変換部とを備える。熱電変換部は、Ｐ型熱電素子と、Ｐ型熱電素子の低温側に電気的に接続された第１電極と、Ｎ型熱電素子と、Ｎ型熱電素子の低温側に電気的に接続された第２電極とを含む。第１電極と第２電極とは、負荷に接続される。

【0014】

（７）光熱変換素子と、Ｐ型熱電素子およびＮ型熱電素子のうちの一方とは、一体的に光熱変換熱電素子を構成する。

【0015】

（８）本開示のさらに他の局面に従う光熱変換素子は、基板と、基板上に配置された金属薄膜とを備える。金属薄膜は、金属薄膜の材料からなる複数の微粒子が集積することで金属薄膜が黒色化した領域を含む。複数の微粒子は、光照射により、複数の微粒子の各々の表面に局在表面プラズモン共鳴を生じさせる。

【0016】

（９）本開示のさらに他の局面に従う微小物体の集積システムは、液体に含まれる複数の微小物体を集積する。微小物体の集積システムは、光熱変換素子を保持するように構成されたホルダと、複数の微粒子の各々の表面に局在表面プラズモン共鳴を生じさせる光を発する光源とを備える。光源は、液体が領域上に保持された状態における領域への光照射により液体中に対流を生じさせることによって、複数の微小物体を集積する。

【0017】

（１０）液体は、上記領域の上面に保持される。光源からの光は、領域の下方から上方に向けて照射される。金属薄膜の厚みは、領域が光源からの光に対して光透過性を有するように定められている。

【発明の効果】

【0018】

本開示によれば、高効率に光を熱に変換可能な光熱変換素子を提供できる。また、本開示によれば、そのような光熱変換素子を簡易に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】実施の形態１におけるレーザ加工システムの全体構成を概略的に示す図である。

【図2】実施の形態１に係る光熱変換素子の構成を示す図である。

【図3】作製した光熱変換素子の写真である。

【図4】実施の形態１に係る他の光熱変換素子の構成を示す図である。

【図5】作製した光熱変換素子の写真である。

【図6】光熱変換素子のレーザ加工条件を説明するための第１の図である。

【図7】光熱変換素子のレーザ加工条件を説明するための第２の図である。

【図8】実施の形態１に係る光熱変換素子の製造方法を示すフローチャートである。

【図9】実施の形態１の実施例における光熱変換素子のレーザ加工条件を示す図である。

【図10】実施の形態１の実施例における光熱変換素子の観察結果を示す図である。

【図11】条件１Ａに従って製造された光熱変換素子の吸光度スペクトルの測定結果を示す図である。

【図12】条件１Ｂに従って製造された光熱変換素子の吸光度スペクトルの測定結果を示す図である。

【図13】条件１Ｃに従って製造された光熱変換素子の吸光度スペクトルの測定結果を示す図である。

【図14】条件１Ｄに従って製造された光熱変換素子の吸光度スペクトルの測定結果を示す図である。

【図15】実施の形態１の実施例における別の光熱変換素子のレーザ加工条件を示す図である。

【図16】実施の形態１の実施例における光熱変換素子の観察結果を示す図である。

【図17】条件２Ａ～２Ｅに従って製造された光熱変換素子の反射スペクトルの測定結果を示す図である。

【図18】実施の形態２に係る光熱発電装置の全体構成を示す図である。

【図19】光熱発電装置のより詳細な構成の一例を示す図である。

【図20】光熱発電装置のより詳細な構成の他の一例を示す図である。

【図21】光熱変換素子２の光発熱効果による温度上昇量のシミュレーション条件を説明するための図である。

【図22】光発熱効果による光熱変換素子の温度上昇量のシミュレーション結果を示す図である。

【図23】光熱発電装置における光熱変換および熱電変換による発電量のシミュレーション条件を説明するための図である。

【図24】光熱発電装置における発電電力のシミュレーション結果を示す図である。

【図25】実施の形態３に係る微小物体の集積システムの全体構成を示す図である。

【図26】ＸＹＺ軸ステージ上に保持された光熱変換素子の拡大図である。

【図27】レーザ光の照射時におけるサンプルの様子を撮影した写真である。

【図28】マイクロビーズの集積メカニズムを説明するための概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

【0021】

＜用語の説明＞
本開示およびその実施の形態において、「熱電材料」とは、熱電効果（ゼーベック効果）を示す材料であり、より詳細には、室温（２０℃）での熱起電力の絶対値が５０［μＶ／Ｋ］以上であり、かつ、室温における電気抵抗率（比抵抗）が１００［ｍΩ・ｃｍ］以下である材料を意味する。熱起電力の絶対値が５０［μＶ／Ｋ］以上である材料の中には絶縁体が含まれ得るものの、絶縁体は、電気抵抗率が１００［ｍΩ・ｃｍ］以下との条件により熱電材料から除外される。熱電材料の例としては、合金（具体的にはコンスタンタン、ホイスラー合金、ハーフホイスラー合金など）、シリサイド（鉄シリサイドなど）、金属、半導体、セラミックスなどが挙げられる。

【0022】

なお、コンスタンタンの熱起電力の絶対値は約７５［μＶ／Ｋ］であり、コンスタンタンの電気抵抗率は約４．８×１０^－２［ｍΩ・ｃｍ］である。対比のため記載すると、金の熱起電力の絶対値は約１．９４［μＶ／Ｋ］であり、金の電気抵抗率は約２．４×１０^－３［ｍΩ・ｃｍ］である。

【0023】

本開示およびその実施の形態において、「微粒子」とは、ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでのサイズを有する粒子を意味する。微粒子の形状は、球形状に限定されるものではなく、楕円球形状またはロッド形状などであってもよい。微粒子の例としては、金属ナノ粒子、金属マイクロ粒子、半導体ナノ粒子、半導体マイクロ粒子、金属ナノ粒子集合体、金属ナノ粒子と金属マイクロ粒子との集合体、半導体ナノ粒子と半導体マイクロ粒子との集合体などが挙げられる。

【0024】

本開示およびその実施の形態において、「微小物体」とは、ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでのサイズを有する物質を意味する。微小物体の形状は、球形状に限定されるものではなく、楕円球形状またはロッド形状などであってもよい。微小物体が楕円球形状である場合、楕円球の長軸方向の長さおよび短軸方向の長さの少なくとも一方がナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでの範囲内であればよい。微小物体がロッド形状である場合、ロッドの幅および長さの少なくとも一方がナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでの範囲内であればよい。微小物体の例としては、金属ナノ粒子、金属ナノ粒子集合体、金属ナノ粒子集積構造体、半導体ナノ粒子、有機ナノ粒子、樹脂ビーズ、微小粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）などが挙げられる。

【0025】

「金属ナノ粒子」とは、ナノメートルオーダーのサイズを有する金属粒子である。「金属マイクロ粒子」とは、マイクロメートルオーダーのサイズを有する金属粒子である。「金属ナノ粒子集合体」とは、複数の金属ナノ粒子が凝集することによって形成された集合体である。「金属ナノ粒子集積構造体」とは、たとえば、複数の金属ナノ粒子が相互作用部位を介してビーズの表面に固定され、互いに隙間を設けて、金属ナノ粒子の直径以下の間隔で配置された構造体である。「半導体ナノ粒子」とは、ナノメートルオーダーのサイズを有する半導体粒子である。「半導体マイクロ粒子」とは、マイクロメートルオーダーのサイズを有する半導体粒子である。「有機ナノ粒子」とは、ナノメートルオーダーサイズを有する有機化合物からなる粒子である。「樹脂ビーズ」とは、ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまでのサイズを有する樹脂からなる粒子である。「ＰＭ」とは、マイクロメートルオーダーのサイズを有する粒子状物質である。

【0026】

微小物体は生体由来の物質（生体物質）であってもよい。より具体的には、微小物体は、細胞、微生物（細菌、真菌等）、生体高分子（タンパク質、核酸、脂質、多糖類等）、抗原（アレルゲン等）およびウイルスを含み得る。

【0027】

本開示およびその実施の形態において、「微細溝」とは、マイクロメートルオーダーの幅を有する溝を意味する。複数の微細溝が切削される場合、ある溝と、その溝と隣り合う溝との間の間隔もマイクロメートルオーダーであることが好ましい。微細溝の形状は、直線状に限定されるものではなく、曲線形状であってもよい。また、微細溝は、１つの溝が複数の溝に分岐する部分を含んでもよく、複数の溝が１つの溝に統合する部分を含んでもよい。微細溝は破線状であってもよい。

【0028】

本開示およびその実施の形態において、「ナノメートルオーダー」には、１ｎｍから１，０００ｎｍ（＝１μｍ）までの範囲が含まれる。「マイクロメートルオーダー」には、１μｍから１，０００μｍ（＝１ｍｍ）までの範囲が含まれる。したがって、「ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまで」には、１ｎｍから１，０００μｍまでの範囲が含まれる。「ナノメートルオーダーからマイクロメートルオーダーまで」との用語は、典型的には数ｎｍ～数百μｍの範囲を意味し、好ましくは１００ｎｍ～１００μｍの範囲を意味し、より好ましくは１μｍ～数十μｍの範囲を意味し得る。

【0029】

本開示およびその実施の形態において、「白色光」とは、紫外域～近赤外域の波長範囲（たとえば２００ｎｍ～１１００ｎｍの波長範囲）を有する光を意味する。白色光は、連続光であってもよいしパルス光であってもよい。

【0030】

本開示およびその実施の形態において、「光透過性を有する」とは、物質を通過する光の強度がゼロより大きいという性質を意味する。光が物質を通過する場合、残りの光のエネルギーはその物質によって吸収、散乱または反射されてもよい。また、その光の波長領域は、紫外域、可視域、および近赤外域のいずれかの領域、これら３つの領域のうちの２つの領域にまたがる領域、３つの領域のすべての領域にまたがる領域のいずれでもよい。光透過性は、たとえば透過率の範囲によって定義できる。この場合、透過率の範囲の下限は０よりも大きければよく、特に限定されない。

【0031】

本開示およびその実施の形態において、「マイクロバブル」とは、マイクロメートルオーダーの気泡を意味する。

【0032】

［実施の形態１］
実施の形態１においては、２種類の光熱変換素子１，２および、その製造方法について説明する。実施の形態１に係る光熱変換素子１，２は、レーザ加工システムを用いて作製される。以下では、ｘ方向およびｙ方向は水平方向を表す。ｘ方向とｙ方向とは互いに直交する。ｚ方向は鉛直方向を表す。重力の向きはｚ方向下方である。

【0033】

＜レーザ加工システムの構成＞
図１は、実施の形態１におけるレーザ加工システムの全体構成を概略的に示す図である。図１を参照して、レーザ加工システム１００は、ＸＹＺ軸ステージ１１０と、レーザ発振器１２０と、レーザドライバ１３０と、対物レンズ１４０と、走査機構１５０と、制御装置１６０とを備える。

【0034】

ＸＹＺ軸ステージ１１０は、光熱変換素子１（または光熱変換素子２）を保持するように構成されている。光熱変換素子１，２の構成については図２～図５にて説明する。

【0035】

レーザ発振器１２０は、パルスレーザ光Ｌを発する。たとえば、超短パルス光を発するフェムト秒レーザをレーザ発振器１２０として用いることができる。そのようなレーザ発振器１２０の具体例としてはチタンサファイアレーザが挙げられる。チタンサファイアレーザは、近赤外域に含まれる波長（６５０ｎｍ～１，１００ｎｍの範囲内の波長であり、たとえば中心波長１，０４０ｎｍ）の光を発する。

【0036】

レーザドライバ１３０は、レーザ発振器１２０に駆動電流を供給するとともに、レーザ発振器１２０から発せられるパルスレーザ光Ｌの特性（具体的にはレーザ出力、パルス幅および繰り返し周波数など）を制御装置１６０からの指令に従って制御する。

【0037】

対物レンズ１４０は、レーザ発振器１２０からのパルスレーザ光Ｌを集光する。対物レンズ１４０により集光された光は、ＸＹＺ軸ステージ１１０上に保持された、加工前または加工中の光熱変換素子１に照射される。

【0038】

走査機構１５０は、制御装置１６０からの指令に応じて、ＸＹＺ軸ステージ１１０のｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の位置を調整することが可能に構成されている。本実施の形態において、走査機構１５０は、まず、ＸＹＺ軸ステージ１１０上に保持された光熱変換素子１と対物レンズ１４０との間の距離（後述するパルスレーザ光Ｌのスポット高さＨ）を設定する。そして、走査機構１５０は、スポット高さＨを一定に維持したままＸＹＺ軸ステージ１１０のｘ方向およびｙ方向の位置を調整することによって、光熱変換素子１に対してパルスレーザ光Ｌを走査する。

【0039】

なお、図１に示す例では、パルスレーザ光Ｌの照射位置を固定した上で光熱変換素子１を移動させることで、光熱変換素子１へのパルスレーザ光Ｌの走査が実現される。しかし、反対に、固定された光熱変換素子１に対してパルスレーザ光Ｌの照射位置を移動させてもよい。

【0040】

制御装置１６０は、いずれも図示しないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサと、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）などのメモリと、入出力ポートとを含むマイクロコンピュータである。制御装置１６０は、レーザ加工システム１００内の各機器（レーザドライバ１３０および走査機構１５０）を制御する。具体的には、制御装置１６０は、パルスレーザ光Ｌの照射条件（レーザ加工条件）を設定し、そのレーザ加工条件に従う加工を実現するための指令をレーザドライバ１３０に出力する。また、制御装置１６０は、パルスレーザ光Ｌを走査するための指令を走査機構１５０に出力する。

【0041】

図２は、実施の形態１に係る光熱変換素子１の構成を示す図である。図２を参照して、光熱変換素子１は、基板１１と、基板１１上に配置された金属薄膜１２とを備える。

【0042】

基板１１は、光熱変換および熱電変換（後述）に影響を与えず、かつ、レーザ発振器１２０からのパルスレーザ光Ｌ（この例では近赤外光）に対して透明な材料により形成されている。そのような材料としては、石英、シリコン、樹脂フィルムなどが挙げられる。本実施の形態では、ガラス基板（カバーガラス）が基板１１として用いられる。

【0043】

金属薄膜１２の材料は、金属薄膜１２に照射される光の波長域（後述する例では白色光ＷＬ）における光熱変換効率が高い材料であることが好ましい。図２に示す例では、金属薄膜１２は、膜厚がナノメートルオーダーの金薄膜である。金薄膜は、スパッタまたは無電解メッキなどの公知の手法を用いてガラス基板上に形成できる。

【0044】

なお、金属薄膜１２は、基板１１全面に形成されていなくてもよく、基板１１の少なくとも一部に形成されていればよい。また、金属薄膜１２の材料は、金に限定されるものではなく、光熱変換を生じ得る材料であれば銀であってもよいし、コンスタンタンなどの合金であってもよい。金属薄膜１２は、本開示に係る「固体材料」の一例である。

【0045】

金属薄膜１２は、金属薄膜１２にパルスレーザ光Ｌを照射することで加工された加工領域ＬＰを含む。詳細は後述するが、加工領域ＬＰは、パルスレーザ光Ｌの照射により金属薄膜１２が微粒子化することで形成された金属ナノ粒子を含み、黒色化した領域である（図１０参照）。

【0046】

図３は、作製した光熱変換素子１の写真である。図３に示す例では、光熱変換素子１が２つの加工領域ＬＰ（加工領域ＬＰ１，ＬＰ２）を含む。このように加工領域ＬＰの数は１に限定されず、２以上の任意の数とすることができる。また、加工領域ＬＰを金属薄膜１２の一部のみに形成してもよいし、金属薄膜１２の全面をレーザ加工して全面に加工領域ＬＰを形成してもよい。なお、図３において光熱変換素子１の上下左右には光熱変換素子１を固定するためのテープが張り付けられている。

【0047】

図４は、実施の形態１に係る他の光熱変換素子２の構成を示す図である。図５は、作製した光熱変換素子２の写真である。図４および図５を参照して、光熱変換素子２は、金属板であってもよい。つまり、金属薄膜１２を形成するための土台としての基板１１は必須ではない。この例では、光熱変換素子２の材料は銅ニッケル合金である。特に、ニッケル含有率が４０％～５０％程度の銅合金であるコンスタンタン（constantan）を採用できる。コンスタンタン等からなる金属板は、本開示に係る「固体材料」の他の一例である。ただだし、「固体材料」は、熱電効果を示す他の熱電材料であってもよい。

【0048】

光熱変換素子２は、金属薄膜１２と同様に、金属材料にパルスレーザ光Ｌを照射することで形成された加工領域ＬＰを含む。図５に示す写真では、光熱変換素子２に２つの黒色化した加工領域ＬＰ３，ＬＰ４が設けられている。

【0049】

＜レーザ加工条件＞
次に、適切な加工領域ＬＰを形成するためのパルスレーザ光Ｌの照射条件（レーザ加工条件）について説明する。レーザ加工条件は３つのパラメータにより規定される。光熱変換素子１，２のいずれにおいても各パラメータの設定手法は共通であるため、以下では光熱変換素子１のレーザ加工条件について代表的に説明する。

【0050】

図６は、光熱変換素子１のレーザ加工条件を説明するための第１の図である。図６を参照して、レーザ加工条件を規定する第１のパラメータは、スポット高さＨ［μｍ］である。パルスレーザ光Ｌのスポットサイズ（パルスレーザ光Ｌの半径）は、ビームウエストの位置で最小となる。スポット高さＨとは、ビームウエストの位置を基準（Ｈ＝０）とした、ビームウエストと光熱変換素子１の上面（図６に示す例では金属薄膜１２の表面）との間の光軸上の距離である。

【0051】

図７は、光熱変換素子１のレーザ加工条件を説明するための第２の図である。レーザ加工条件を規定する第２のパラメータは、パルスレーザ光Ｌの走査間隔Ｄ［μｍ］である。本実施の形態において、パルスレーザ光Ｌは、互いに平行な複数の直線が一定間隔で配列するように走査される。走査間隔Ｄとは、ある直線と、その直線に隣接する別の直線との間の距離である。なお、パルスレーザ光Ｌによるレーザ加工が行われる加工領域ＬＰの大きさは、数ｍｍ四方（後述の例では６ｍｍ×６ｍｍ）である。

【0052】

レーザ加工条件を規定する第３のパラメータは、レーザ出力Ｐ_ｏｕｔ［ｍＷ］である。レーザ出力Ｐ_ｏｕｔとは、対物レンズ１４０を透過した後（すなわち、光熱変換素子１の位置）におけるパルスレーザ光Ｌの出力である。

【0053】

スポット高さＨ、走査間隔Ｄおよびレーザ出力Ｐ_ｏｕｔの３つのパラメータを適宜組み合わせることにより、加工領域ＬＰが示す特性（光学特性および光熱変換特性）を調整できる。加工領域ＬＰの特性の測定結果については後に詳細に説明する。

【0054】

＜光熱変換素子の製造フロー＞
図８は、実施の形態１に係る光熱変換素子１の製造方法を示すフローチャートである。このフローチャートは、所定条件の成立時（たとえばユーザが図示しない開始ボタンを操作したとき）に実行される。このフローチャートに含まれる各ステップは、基本的には制御装置１６０によるソフトウェア処理によって実現されるが、その一部または全部が制御装置１６０内に作製されたハードウェア（電気回路）によって実現されてもよい。以下、ステップを「ＳＴ」と略す。

【0055】

図８を参照して、ＳＴ１において、制御装置１６０は、レーザ加工条件として上記３つのパラメータ（スポット高さＨ、走査間隔Ｄおよびレーザ出力Ｐ_ｏｕｔ）の組合せを設定する。より詳細には、事前に実験を実施することで、光熱変換素子１の種類（金属薄膜１２の材料および厚み）および用途等に応じて、３つのパラメータの適切な組合せを求めることができる。そのため、制御装置１６０は、予め準備された複数の組合せの中から、光熱変換素子１の種類および用途等に応じて適切な組合せを選択できる。あるいは、制御装置１６０は、上記３つのパラメータの組合せを指定するユーザ操作を図示しない入力機器（マウスまたはキーボードなど）から受け付けてもよい。

【0056】

ＳＴ２において、制御装置１６０は、加工前の光熱変換素子１をＸＹＺ軸ステージ１１０上に設置する。この処理は、たとえば、光熱変換素子１の送り機構（図示せず）により実現できる。なお、ＳＴ２の処理は、本開示に係る「準備するステップ」に相当する。

【0057】

ＳＴ３において、制御装置１６０は、走査機構１５０に指令を出力し、ＸＹＺ軸ステージ１１０の高さ（ｚ方向の位置）を制御する。これにより、制御装置１６０は、スポット高さＨをＳＴ１にて設定された値に調整する。

【0058】

ＳＴ４において、制御装置１６０は、ＳＴ１にて設定されたレーザ加工条件に従うパルスレーザ光Ｌの照射を開始（または継続）するようにレーザドライバ１３０を制御する。また、制御装置１６０は、事前に設定した走査パターンに従ってパルスレーザ光Ｌが走査されるように走査機構１５０を制御する。ＳＴ４の処理は、本開示に係る「作製するステップ」に相当する。

【0059】

ＳＴ５において、制御装置１６０は、予め定められたレーザ加工の終了条件が成立したかどうかを判定する。制御装置１６０は、走査パターンの描画が完了した時点でレーザ加工の終了条件が成立したと判定する。終了条件が成立していない場合（ＳＴ４においてＮＯ）には制御装置１６０は処理をＳＴ４に戻す。これにより、パルスレーザ光Ｌの照射が継続される。終了条件が成立すると（ＳＴ５においてＹＥＳ）、制御装置１６０は、処理をＳＴ６に進める。

【0060】

ＳＴ６において、制御装置１６０は、パルスレーザ光Ｌの照射を停止するようにレーザドライバ１３０を制御する。そして、制御装置１６０は、光熱変換素子１の送り機構を制御することによって、加工後の光熱変換素子１をＸＹＺ軸ステージ１１０から取り出す（ＳＴ７）。これにより、一連の処理が終了する。

【0061】

［実施の形態１の実施例］
次に、レーザ加工システム１００を用いて作製した光熱変換素子１，２の観察結果およびスペクトル測定結果について説明する。まず、ガラス基板上に形成された金薄膜をレーザ加工した光熱変換素子１（図２および図３参照）の評価結果について説明する。この例では金薄膜の膜厚は１００μｍであった。

【0062】

図９は、実施の形態１の実施例における光熱変換素子１のレーザ加工条件を示す図である。図９を参照して、上述の光熱変換素子１に対して、図９に示す４通りの条件１Ａ～１Ｄに従ってレーザ加工を行った。条件１Ａ～１Ｄの間で、レーザ出力Ｐ_ｏｕｔ＝８００ｍＷおよび走査間隔Ｄ＝５０μｍは共通である。一方、スポット高さＨは条件１Ａ～１Ｄの間で異なる。なお、パルスレーザ光Ｌのパルス幅を４００ｆｓに設定し、パルスレーザ光Ｌの繰り返し周波数を１００ｋＨｚに設定した。

【0063】

図１０は、実施の形態１の実施例における光熱変換素子１の観察結果を示す図である。図１０には、図９にて説明した条件１Ａ～１Ｄに従って製造された光熱変換素子１のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）画像が示されている。図１０を参照して、倍率３５０倍の画像において、色が薄い領域（２本の黒線間の領域）がパルスレーザ光Ｌが照射された領域である。倍率２，０００倍または５，０００倍の画像からは、条件１Ａ～１Ｄのいずれにおいても、パルスレーザ光Ｌの照射により形成された微細溝に微粒子化した金が確認された。多くの金粒子のサイズ（直径）は数十ナノメートルから数百ナノメートルまでの範囲であったが、一部の金粒子はマイクロメートルオーダーのサイズを有していた。

【0064】

特定の波長を有する光を金ナノ粒子（金マイクロ粒子であってもよい）に照射すると、金ナノ粒子の自由電子が表面プラズモンを形成し、共鳴光によって振動する。これにより分極が生じる。この分極のエネルギーは、自由電子と原子核との間のクーロン相互作用により格子振動のエネルギーに変換される。その結果、金ナノ粒子は熱を発生させる。以下では、この効果を「光発熱効果」とも称する。金ナノ粒子の光発熱効果を利用することで、広帯域の光を吸収して高効率に熱に変換できる（後述する図２２参照）。

【0065】

図１１は、条件１Ａに従って製造された光熱変換素子１の吸光度スペクトルの測定結果を示す図である。図１２は、条件１Ｂに従って製造された光熱変換素子１の吸光度スペクトルの測定結果を示す図である。図１３は、条件１Ｃに従って製造された光熱変換素子１の吸光度スペクトルの測定結果を示す図である。図１４は、条件１Ｄに従って製造された光熱変換素子１の吸光度スペクトルの測定結果を示す図である。

【0066】

図１１～図１４の各図において、上段には黒線上の領域（パルスレーザ光Ｌの非照射領域）のスペクトルを局所的に測定した結果が示されており、下段には黒線間の領域（金ナノ粒子が観察された領域）のスペクトルを局所的に測定した結果が示されている。黒線上の領域では、未加工の金薄膜と同様に平坦なスペクトルが得られた。これに対し、黒線間の領域においては、スペクトルがブロードになることが観察されるとともに、金ナノ粒子の局在表面プラズモン由来のピークが波長５３０ｎｍ付近に確認された。

【0067】

このように、パルスレーザ光Ｌを照射した領域の吸光度スペクトルは、パルスレーザ光Ｌを照射していない領域の吸光度スペクトル、あるいは単一の金属ナノ粒子から得られる吸光度スペクトルと比べて、ブロード化するとともにピークシフトする。このスペクトル変化は以下のことを示している。

【0068】

パルスレーザ光Ｌの照射という物理的プロセス（非化学的プロセス）のみを用いることで、金ナノ粒子を高密度に集積できる。そうすると、各金ナノ粒子中の電子系（局在表面プラズモンなど）の電磁場を介した相互作用が高まり、吸光度スペクトルがブロード化する。その結果、加工前の固体材料または単一の微粒子と比べて、広帯域の光を高効率に熱に変換できるようになる（光発熱効果の増強）。光照射領域の黒色化は、光発熱効果の増強が実現されたことを外観から観察可能な変化であると言える。

【0069】

単にレーザ光の照射により固体材料から微粒子（この例では金ナノ粒子）を生成するだけでは黒色化は生じないことに留意すべきである。黒色化は、レーザ光の照射により生成した固体材料からなる微粒子が高密度に集積していること、言い換えると、微粒子が互いに近接しつつも分散していることで生じる。

【0070】

パルスレーザ光Ｌの照射により微細溝を切削することで、金薄膜の表面積を増大させることができる。このことは、生成した金ナノ粒子が互いに近接しつつも分散可能な領域の面積（いわば、高密度に集積した金ナノ粒子の受け皿となる面積）を大きくできることを意味している。したがって、微細溝の切削により光発熱効果を一層増強することが可能になる。

【0071】

続いて、平板上のコンスタンタンをレーザ加工した光熱変換素子２（図４および図５参照）の評価結果について説明する。光熱変換素子２の厚みは５００μｍであった。

【0072】

図１５は、実施の形態１の実施例における別の光熱変換素子２のレーザ加工条件を示す図である。この例では、図１５に示す５通りの条件２Ａ～２Ｅに従ってレーザ加工を行った。

【0073】

図１６は、実施の形態１の実施例における光熱変換素子２の観察結果を示す図である。図１６を参照して、光熱変換素子２においてもパルスレーザ光Ｌの照射領域に多数の微粒化したコンスタンタンが高密度に集積していることが確認された。多くのコンスタンタン粒子のサイズは、数十ナノメートルから数百ナノメートルまでの範囲であった。

【0074】

図１７は、条件２Ａ～２Ｅに従って製造された光熱変換素子２の反射スペクトルの測定結果を示す図である。図１７の上段には、レーザ加工前の反射スペクトル（３つのサンプルの測定結果を平均したもの）が比較のため示されている。中段には、レーザ加工後の反射スペクトルが示されている。下段には、条件２Ｂ～２Ｄから得られた反射スペクトルの拡大図が示されている。

【0075】

レーザ加工前の光熱変換素子２の可視域（４００ｎｍ～８００ｎｍの波長域）における反射率は、おおよそ４０％～５０％の範囲内であった。一方、レーザ加工を行うと、条件２Ａ～２Ｅのいずれにおいても可視域における光熱変換素子２の反射率が１０％未満になった。その中でも、条件２Ｃに従ってレーザ加工された光熱変換素子２の平均反射率（可視域での平均を取った反射率）は０．４２％であった。条件２Ｄに従ってレーザ加工された光熱変換素子２の平均反射率は０．３１％であった。目視によってもレーザ加工後の光熱変換素子２が黒色化していることが観察された。金属板の反射率を低下させる手法としてメッキによる黒色化が知られている。メッキにより黒色化したコンスタンタンの平均反射率は約２％である。したがって、条件２Ｃ，２Ｄから得られた平均反射率は、メッキにより到達可能な平均反射率よりも大幅に低いと言える。これらの反射率の大幅な低下は、レーザ加工で生成され高密度に集積したコンスタンタン粒子の吸光度スペクトルが、単一のコンスタンタン粒子から得られる吸光度スペクトルと比べて、ブロード化するとともにピークシフトしたために生じたと考えられる。

【0076】

また、条件２Ａにおけるレーザ出力Ｐ_ｏｕｔが４００ｍＷであるのに対して、条件２Ｂ～２Ｅにおけるレーザ出力Ｐ_ｏｕｔは８００ｍＷである（図１５参照）。条件２Ｂ～２Ｅに従うレーザ加工後の光熱変換素子２の平均反射率の方が条件２Ａに従うレーザ加工後の光熱変換素子２の平均反射率よりも低いことから、レーザ出力Ｐ_ｏｕｔが高いほど平均反射率が低くなる傾向があることが分かる。

【0077】

条件２Ｃ，２Ｄに従ってレーザ加工された光熱変換素子２の平均反射率が特に低く、０．５％未満である。条件２Ｃ，２Ｄでは、パルスレーザ光Ｌの走査間隔Ｄが密（Ｄ＝５０μｍ）であり、かつ、パルスレーザ光Ｌのスポット径が比較的大きい（スポット高さＨ＞５０μｍ）。このことから、コンスタンタンの微粒子化が生じた領域間の間隔が狭く、かつ、コンスタンタンの微粒子化が広範囲に亘って生じたために、平均反射率の低下が進んだと考えられる。

【0078】

以上のように、実施の形態１においては、パルスレーザ光Ｌを走査することで光熱変換素子１，２に加工領域ＬＰが形成される。パルスレーザ光Ｌの走査は、入手が容易な一般的なレーザ加工装置を用いて実現できる。また、図８にて説明したように光熱変換素子１，２の作製手順は化学的処理を含まず、光熱変換素子１，２の作製に要する時間も１０分～２０分程度である。さらに、特許文献１に開示された光熱変換素子と比べても、金属ナノ粒子集積構造体の生成を要さない点において、より容易であると言える。このように、実施の形態１によれば、光熱変換素子１，２を簡易な製造方法によって作製できる。

【0079】

［実施の形態２］
実施の形態２においては、実施の形態１に係る光熱変換素子１，２を用いて発電が可能な光熱発電装置について説明する。

【0080】

図１８は、実施の形態２に係る光熱発電装置の全体構成を概略的に示す図である。図１８を参照して、白色光源９１は、白色光ＷＬを発する光源である。白色光源９１は、たとえば太陽であるが、疑似太陽光照明、白熱電球、白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、蛍光灯などの他の光源あってもよい。また、白色光源９１に代えて、紫外域～近赤外域に含まれる波長域の光を発する単色光源を用いてもよいし、複数の波長域の光を発する光源を用いてもよい。

【0081】

光熱発電装置２００は、白色光源９１からの白色光ＷＬを利用して発電し、発電した電力を電気負荷９２に供給する。光熱発電装置２００は、光熱変換部２１０と、熱電変換部２２０とを備える。光熱変換部２１０は、白色光源９１からの白色光ＷＬを受けて光発熱効果により熱を発生させる。熱電変換部２２０は、光熱変換部２１０により発生した熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。すなわち、熱電変換部２２０は、光熱変換部２１０からの熱を用いて発電する。この電力が電気負荷９２に供給される。

【0082】

電気負荷９２は、電気回路またはモータ等であるが、電力を消費する機器であれば特に限定されない。また、図示しないが、電気負荷９２に代えて、光熱発電装置２００から供給される電力を蓄える蓄電装置（二次電池など）を光熱発電装置２００に接続してもよい。電気負荷９２または蓄電装置は、本開示に係る「負荷」に相当する。

【0083】

図１９は、光熱発電装置２００のより詳細な構成の一例を示す図である。図１９を参照して、この例では、光熱変換部２１０は光熱変換素子１を含む。光熱変換素子１の基板１１には、たとえば導電性フィルム（ＩＴＯ－ＰＥＮフィルムなど）を用いることができる。

【0084】

熱電変換部２２０は、Ｐ型熱電素子２２１と、Ｎ型熱電素子２２２と、ヒートシンク２２３と、電極２３１～２３４と、導電性ペースト２４１，２４２Ａ，２４２Ｂ，２４３，２４４Ａ，２４４Ｂとを含む。

【0085】

Ｐ型熱電素子２２１は、導電性ペースト２４１を介して電極２３１に熱的かつ電気的に接続されている。電極２３１は、光熱変換素子１の基板１１（導電性フィルム）に熱的かつ電気的に接続されている。また、Ｐ型熱電素子２２１は、導電性ペースト２４２Ａを介して電極２３２に熱的かつ電気的に接続されている。電極２３２（第１電極）は、導電性ペースト２４２Ｂを介してヒートシンク２２３に熱的に接続されているものの、ヒートシンク２２３からは電気的に絶縁されている。

【0086】

Ｎ型熱電素子２２２は、Ｐ型熱電素子２２１と同様に、導電性ペースト２４３を介して電極２３３に熱的かつ電気的に接続されている。電極２３３は、光熱変換素子１の基板１１に熱的かつ電気的に接続されている。Ｎ型熱電素子２２２は、導電性ペースト２４４Ａを介して電極２３４に熱的かつ電気的に接続されている。電極２３４（第２電極）は、導電性ペースト２４４Ｂを介してヒートシンク２２３に熱的に接続されているものの、ヒートシンク２２３からは電気的に絶縁されている。

【0087】

ヒートシンク２２３は、絶縁性を有する材料（たとえばアルミナ）により形成されている。

【0088】

白色光源９１から発せられた白色光ＷＬが光熱変換素子１の金属薄膜１２に照射される。これにより、加工領域ＬＰにおいて複数の微粒子（たとえば金ナノ粒子または金マイクロ粒子）の局在表面プラズモン共鳴が生じて発熱が増強される（光発熱効果）。光熱変換素子１によって発生した熱は、Ｐ型熱電素子２２１およびＮ型熱電素子２２２に伝達される。そうすると、Ｐ型熱電素子２２１およびＮ型熱電素子２２２の各々の両端の間に温度差が発生する。より詳細には、Ｐ型熱電素子２２１では、Ｐ型熱電素子２２１のうち光熱変換素子１に近い側（電極２３１および導電性ペースト２４１の側）の温度は、光熱変換素子１による加熱に伴って上昇する。一方、Ｐ型熱電素子２２１のうちヒートシンク２２３に近い側（導電性ペースト２４２Ａ、電極２３２および導電性ペースト２４２Ｂの側）の温度は、ヒートシンク２２３からの放熱により低下する。Ｎ型熱電素子２２２についても同様である。

【0089】

以下では、Ｐ型熱電素子２２１またはＮ型熱電素子２２２のうち、光熱変換素子１に近い側を「高温側」とも記載し、ヒートシンク２２３に近い側を「低温側」とも記載する。

【0090】

Ｐ型熱電素子２２１の内部では、正孔が拡散して低温側に集まる。そのため、Ｐ型熱電素子２２１では、低温側の電位が高温側の電位よりも高くなる。一方、Ｎ型熱電素子２２２の内部では、電子が低温側へ拡散する。そのため、Ｎ型熱電素子２２２では、低温側の電位が高温側の電位よりも低くなる。その結果、Ｐ型熱電素子２２１の低温側とＮ型熱電素子２２２の低温側との間には電位差が生じる。よって、電極２３２と電極２３４との間に電気負荷９２を接続することにより、電極２３２から電気負荷９２へと電流を取り出すことができる。このように、光熱発電装置２００は、光エネルギーを熱エネルギーに変換し、さらに、その熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能に構成されている。

【0091】

なお、図１９では、熱電変換部２２０がＰ型熱電素子２２１およびＮ型熱電素子２２２を１つずつ含む構成を示している。しかし、熱電変換部２２０は、Ｐ型熱電素子２２１とＮ型熱電素子２２２との組を複数個含んでもよい。

【0092】

図２０は、光熱発電装置２００のより詳細な構成の他の一例を示す図である。図２０を参照して、この例では、光熱変換部２１０は、光熱変換素子１と光熱変換素子２（たとえばレーザ加工された平板状のコンスタンタン）とを含む。このように光熱変換素子１と光熱変換素子２とを組み合わせてもよい。また、光熱変換素子１に代えて光熱変換素子２を用いてもよい。なお、光熱変換素子２に接続された電極２３３は、光熱変換素子１に接続された電極２３１と電気的に接続されている。

【0093】

図２０に示す例では、光熱変換素子２がＮ型熱電素子を兼ねる。すなわち、光熱変換素子２とＮ型熱電素子２２２とが一体的に構成され、それにより「光熱変換熱電素子」が実現されている。なお、この例では、光熱変換素子２とＮ型熱電素子２２２とが一体的に構成されているが、光熱変換素子２の材料によっては光熱変換素子２とＰ型熱電素子２２１とが一体的に構成されていてもよい。

【0094】

図１９にて説明したように光熱変換素子１とＮ型熱電素子２２２とが別々に構成されている場合、光熱変換素子１とＮ型熱電素子２２２とは、基板１１を介して熱的に接続されている。基板１１の熱伝導率は、多くの金属の熱伝導率よりも低い。具体的には、コンスタンタンの熱伝導率が２３［Ｗ／ｍ・Ｋ］であるのに対し、ガラスの熱伝導率は１．０［Ｗ／ｍ・Ｋ］であり、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate）フィルムの熱伝導率は０．２０～０．３３［Ｗ／ｍ・Ｋ］である。したがって、基板１１を用いずに光熱変換素子２とＮ型熱電素子とを一体的に構成することで、光熱変換素子１とＮ型熱電素子２２２が別々に構成されている構成と比べて、より高効率に熱エネルギーを伝達できる。

【0095】

＜光熱変換シミュレーション＞
光熱発電装置２００に白色光ＷＬ（太陽光）を照射した場合に、光熱発電装置２００に含まれる光熱変換素子２の温度が室温からどの程度上昇するかを見積もった。その結果について説明する。

【0096】

図２１は、光熱変換素子２の光発熱効果による温度上昇量のシミュレーション条件を説明するための図である。図２１を参照して、白色光源９１からの白色光ＷＬの照射時間をｔ［ｓ］とし、白色光ＷＬ（この例では太陽光）の照度をＰ（λ）［Ｗ／ｍ^２］とする。光熱変換素子２における白色光ＷＬの照射面の面積（加工領域ＬＰの面積）をＳ［ｍ^２］とする。なお、λ［ｍ］は白色光ＷＬの波長である。

【0097】

また、光熱変換素子２による白色光ＷＬの吸収率をＡ（λ）［％］とする。吸収率Ａは、反射率Ｒおよび透過率Ｔを用いてＡ＝１－Ｒ－Ｔと表される。光熱変換素子２が平板状のコンスタンタンである場合には透過率Ｔ≒０であるので、吸収率Ａ≒１－Ｒと近似可能である。したがって、光熱変換素子２の反射率Ｒの測定結果（図１７参照）から吸収率Ａを算出できる。

【0098】

この場合に、光熱変換素子２による吸熱量Ｑ［Ｊ］は、下記式（１）に従って算出される。

【0099】

【数1】

【0100】

さらに、光熱変換素子２の比熱をＣ［Ｊ／ｋ・ｇ］とし、光熱変換素子２の質量をｍ［ｇ］とすると、室温（２５℃）を基準とした光熱変換素子２の温度上昇量Ｔ_ｕｐ［Ｋ］は、下記式（２）により算出できる。

【0101】

Ｔ_ｕｐ＝Ｑ／（Ｃ×ｍ） ・・・（２）
本シミュレーションでは、白色光ＷＬの照射時間ｔ＝１２０［ｓ］に設定した。光熱変換素子２の照射面の面積Ｓ＝３．２×１０^－４［ｍ^２］に設定した。光熱変換素子２の比熱Ｃ＝０．４１［Ｊ／ｇ・Ｋ］に設定し、光熱変換素子２の質量ｍ＝１．４［ｇ］に設定した。

【0102】

図２２は、光熱変換素子２の温度上昇量Ｔ_ｕｐのシミュレーション結果を示す図である。図２２を参照して、図中左側には、未加工のコンスタンタン基板（加工領域ＬＰが設けられていない基板）における温度上昇量を比較例のために算出した結果が約２７℃であったことが示されている。これに対し、レーザ加工を行った光熱変換素子２においては、レーザ加工条件が条件２Ａ～２Ｅ（図１５参照）のいずれであっても温度上昇量Ｔ_ｕｐが４５℃以上となった。

【0103】

なお、図２１および図２２では光熱変換素子２を用いる例について説明した。しかし、光熱変換素子２に代えて光熱変換素子１（図２および図３参照）を用いてもよい。光熱変換素子１に設けられた金属薄膜１２への光照射によっても光発熱効果により高効率に熱を発生させることができる。

【0104】

＜光熱電変換シミュレーション＞
続いて、光熱発電装置２００に白色光ＷＬ（太陽光）を照射した場合の光熱発電装置２００における発電電力（出力電力）のシミュレーション結果について説明する。

【0105】

図２３は、光熱発電装置２００における光熱電変換（光熱変換および熱電変換）による発電量のシミュレーション条件を説明するための図である。図２３を参照して、Ｐ型熱電素子２２１およびＮ型熱電素子２２２の材料特性を以下のように設定した。

【0106】

Ｎ型熱電素子２２２のゼーベック係数Ｓ（Ｔ）＝－４０×１０^－６～－３６×１０^－６［Ｖ／Ｋ］に設定した。電気抵抗率ρ＝０．４４×１０^－６～０．４６×１０^－６［Ω・ｍ］に設定した。熱伝導率κ＝２３～２７［Ｗ／ｍ・Ｋ］に設定した。この熱伝導率κは、ＰＥＴフィルムの熱伝導率（≒０．２０～０．３３［Ｗ／ｍ・Ｋ］）と比べて２桁高い値である。

【0107】

Ｐ型熱電素子２２１に関しても同様に、ゼーベック係数Ｓ（Ｔ）＝１．７×１０^－６～２．４×１０^－６［Ｖ／Ｋ］に設定した。電気抵抗率ρ＝１７×１０^－９～２４×１０^－９［Ω・ｍ］に設定した。熱伝導率κ＝４００［Ｗ／ｍ・Ｋ］に設定した。

【0108】

また、熱条件に関し、Ｐ型熱電素子２２１およびＮ型熱電素子２２２の各々の温度としては、図２２にて説明した温度上昇量Ｔ_ｕｐを用いて算出した（温度＝室温＋温度上昇量Ｔ_ｕｐ）。Ｐ型熱電素子２２１およびＮ型熱電素子２２２に入出力される熱流束は、吸熱量Ｑ（式（１）参照）を白色光ＷＬの照射面の面積Ｓで除算することで算出した。

【0109】

さらに、Ｐ型熱電素子２２１およびＮ型熱電素子２２２の各々を直方体形状とした。そして、直方体の断面積（＝面積Ｓ）を１×３［ｍｍ^２］に設定し、直方体の高さを４［ｍｍ］に設定した。

【0110】

図２４は、光熱発電装置２００における発電量のシミュレーション結果を示す図である。図２４において、横軸は、光熱発電装置２００からの出力電流を表す。左側の縦軸は光熱発電装置２００からの出力電圧を表し、右側の縦軸は光熱発電装置２００からの出力電力を表す。図２４に示すように、光熱発電装置２００では、未加工のコンスタンタン基板を用いた場合（比較例）と比較して、出力電力が３倍以上になるとの結果が得られた。

【0111】

以上のように、実施の形態２に係る光熱発電装置２００によれば、レーザ加工した光熱変換素子２（光熱変換素子１であってもよい）を含む光熱変換部２１０を用いることで、レーザ加工を行っていない比較例との比較において、光を熱に高効率に変換することが可能になり、光熱変換素子２による発熱量を増大させることができる（図２２参照）。さらに、増大した熱を熱電変換部２２０によって電力に変換することで、発電電力を増大させることができる（図２４参照）。このように、実施の形態２によれば、光を電気に高効率に変換できる。

【0112】

［実施の形態３］
実施の形態３においては、実施の形態１に係る光熱変換素子１を用いて、液体に含まれる複数の微小物体を集積する微小物体の集積システムについて説明する。以下の例では、マイクロメートルオーダーのサイズを有するビーズ（マイクロビーズ）が集積される。

【0113】

図２５は、実施の形態３に係る微小物体の集積システムの全体構成を示す図である。図２５を参照して、集積システム３００は、ＸＹＺ軸ステージ３１０と、調整機構３２０と、レーザ光源３３０と、照明光源３４０と、光学部品３５０と、対物レンズ３６０と、カメラ３７０と、制御装置３８０とを備える。

【0114】

ＸＹＺ軸ステージ３１０は、光熱変換素子１を保持するように構成されている。なお、ＸＹＺ軸ステージ３１０は、本開示に係る「ホルダ」に相当する。

【0115】

図２６は、ＸＹＺ軸ステージ３１０上に保持された光熱変換素子１の拡大図である。図２６に示すように、光熱変換素子１上にはサンプルＳＰが滴下されている。サンプルＳＰにはマイクロビーズＢが分散している。ある実施例（図２７参照）では、マイクロビーズＢの材料はポリスチレンであり、マイクロビーズＢの直径は１μｍである。サンプルＳＰの分散媒は純水である。

【0116】

図２５に戻り、調整機構３２０は、制御装置３８０からの指令に応じて、ＸＹＺ軸ステージ３１０のｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の位置を調整する。本実施の形態では対物レンズ３６０の位置が固定されている。そのため、ＸＹＺ軸ステージ３１０の位置を調整することにより、光熱変換素子１と対物レンズ３６０との相対的な位置関係が調整される。調整機構３２０は、固定された光熱変換素子１に対して対物レンズ３６０の位置を調整してもよい。

【0117】

レーザ光源３３０は、制御装置３８０からの指令に応じてレーザ光Ｌ１を発する。レーザ光Ｌ１の波長は、たとえば近赤外域に含まれる波長（本実施の形態では１０６４ｎｍ）である。なお、レーザ光源３３０は、本開示に係る「光源」に相当する。

【0118】

照明光源３４０は、制御装置３８０からの指令に応じて、光熱変換素子１上のサンプルＳＰを照らすための白色光Ｌ２を発する。一例として、ハロゲンランプを照明光源３４０として用いることができる。

【0119】

光学部品３５０は、たとえば、ミラー、ダイクロイックミラー、プリズム、光ファイバを含む。集積システム３００の光学系は、レーザ光源３３０からのレーザ光Ｌ１が光学部品３５０により対物レンズ３６０へと導かれるように調整されている。

【0120】

対物レンズ３６０は、レーザ光源３３０からのレーザ光Ｌ１を集光する。対物レンズ３６０により集光された光は、光熱変換素子１上のサンプルＳＰに照射される。対物レンズ３６０は、照明光源３４０から光熱変換素子１に照射された白色光Ｌ２を取り込むためにも用いられる。対物レンズ３６０により取り込まれた白色光Ｌ２は、光学部品３５０によりカメラ３７０へと導かれる。

【0121】

カメラ３７０は、制御装置３８０からの指令に応じて、白色光Ｌ２が照射された光熱変換素子１上のサンプルＳＰを撮影し、撮影された画像を制御装置３８０に出力する。

【0122】

制御装置３８０は、いずれも図示しないが、ＣＰＵなどのプロセッサと、ＲＯＭおよびＲＡＭなどのメモリと、入出力ポートとを含むマイクロコンピュータである。制御装置３８０は、集積システム３００内の各機器（調整機構３２０、レーザ光源３３０、照明光源３４０およびカメラ３７０）を制御する。

【0123】

金属薄膜１２の厚みは、加工領域ＬＰがレーザ光Ｌ１に対して光透過性を有するように定められている。以下の例では、金薄膜の厚みは１００ｎｍであった。このように加工領域ＬＰに光透過性を持たせることで、図２５に示すように加工領域ＬＰの下方から上方に向けてレーザ光Ｌ１を加工領域ＬＰに照射することが可能になるとともに、加工領域ＬＰの様子を下方からカメラ２７０で観察することが可能になる。

【0124】

図２７は、レーザ光Ｌ１の照射時におけるサンプルＳＰの様子を撮影した写真である。光熱変換素子１としては、図９および図１０にて説明した４通りのレーザ加工条件で作製したものを準備した。光熱変換素子１に照射したレーザ光Ｌ１の出力Ｐ_ｏｕｔは５０ｍＷであった。対物レンズ３６０の倍率は４０倍であった。レーザ光Ｌ１の照射時間は１００秒であった。

【0125】

パルスレーザ光Ｌの照射により金ナノ粒子（金マイクロ粒子も生成され得る）が観察された黒線間の領域にレーザ光Ｌ１を照射することで、マイクロバブルＭＢの発生を確認できた。また、マイクロバブルＭＢに向けてマイクロビーズＢが集積する様子が観察された。マイクロビーズＢの集積メカニズムは以下のように説明される。

【0126】

図２８は、マイクロビーズＢの集積メカニズムを説明するための概念図である。図２８を参照して、レーザ光Ｌ１の照射を開始すると、光発熱効果によりレーザスポット近傍の領域が局所的に加熱される。この加熱領域の周囲の液体（サンプルＳＰ）の温度が上昇すると、マイクロバブルＭＢが発生する。マイクロバブルＭＢは、時間の経過とともにレーザスポット近傍で成長する。

【0127】

レーザスポットに近いほど液体の温度が高くなる。つまり、光照射により液体中に温度勾配が生じる。この温度勾配に起因して、液体中に規則的な熱対流が定常的に発生する。熱対流の方向は、矢印ＡＲで示すように、レーザスポットに向かい、その後レーザスポットから離れる方向である。したがって、マイクロビーズＢは、熱対流に乗ってレーザスポットに向けて運ばれる。

【0128】

マイクロバブルＭＢと金属薄膜１２との間には、対流の流速がゼロとなる「よどみ領域」がリング状に生じる。熱対流がマイクロバブルＭＢで堰き止められることによって、レーザスポットに向けて運ばれたマイクロビーズＢのうちの一部は、よどみ領域近傍に滞留する。その結果、マイクロビーズＢがレーザスポット近傍に集積される。なお、マイクロビーズＢの集積メカニズムの詳細については、たとえば特許文献２または特許文献３を参照できる。

【0129】

以上のように、実施の形態３においては、光熱変換素子１の光発熱効果によりマイクロバブルＭＢを発生させるとともに対流を発生させる。この対流により、サンプルＳＰ中に分散した複数のマイクロビーズＢがマイクロバブルＭＢの下部に生じるよどみ領域に集積される。このメカニズムを利用することで、多くのマイクロビーズＢを高効率に集積できる。

【0130】

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0131】

１，２ 光熱変換素子、１１ 基板、１２ 金属薄膜、９１ 白色光源、９２ 電気負荷、１００ レーザ加工システム、１１０ ＸＹＺ軸ステージ、１２０ レーザ発振器、１３０ レーザドライバ、１４０ 対物レンズ、１５０ 走査機構、１６０ 制御装置、２００ 光熱発電装置、２１０ 光熱変換部、２２０ 熱電変換部、２２１ Ｐ型熱電素子、２２２ Ｎ型熱電素子、２２３ ヒートシンク、２３１～２３４ 電極、２４１，２４２Ａ，２４２Ｂ，２４３，２４４Ａ，２４４Ｂ 導電性ペースト、３００ 集積システム、３１０ ＸＹＺ軸ステージ、３２０ 調整機構、３３０ レーザ光源、３４０ 照明光源、３５０ 光学部品、３６０ 対物レンズ、３７０ カメラ、３８０ 制御装置、ＬＰ，ＬＰ１～ＬＰ４ 加工領域。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】