科學研究 - 東京農工大利用電磁感應燈實施半導體快速加熱

日本東京農工大學與ORC製作所和Techno Research公司合作，透過微波遠程加熱無極發熱燈的半導體快速加熱技術，實施了多接面太陽能電池薄膜的高品質結晶。無需電熱絲的無極發熱燈具有優異的節能性、耐久性和易維護性，今後有望應用於採用創新型電磁感應燈的加熱裝置及單元。

在各類產品的製造現場不可或缺的加熱處理裝置中，電熱元件是透過電熱絲等提供的大電力發熱來加熱目標物的。在當前重視環境保護的情況下，需要採用節省電力的方法。另外，傳統電熱方式還存在一個問題，就是電極和電熱絲與電線之間的連接部位會受到較大的熱應力，加熱裝置容易發生斷線故障，需要定期更換部等件。很多時候不但修理費用昂貴，修理時間也比較長。

此次，研發小組開發了將碳顆粒和氬氣一起封入石英管的電磁感應燈——碳加熱管（CHT）。向CHT照射微波，碳顆粒就會吸收微波發熱。CHT利用僅有家用微波爐三分之一左右的電力（200W）就能加熱至1279℃，能發出均勻的強光（圖1）。CHT沒有電極，無需佈線，所以耐久性強。另外，也不會發生熱量透過佈線消散的情況，可以說是一款前所未有的節能型加熱燈。除此之外，CHT無需使用以往的加熱燈和加熱器使用的昂貴的稀有金屬，還能低成本製造。

圖1：碳加熱管（CHT）

此次，研發小組利用這款CHT作爲無極發熱燈，試製瞭如圖2所示的半導體快速加熱裝置。透過波導管被導入到上部爲圓柱型、下部爲半球型的鋁製殼體内的微波，被殼體内設置的CHT高效吸收。另外，還安裝了利用紅外線輻射溫度計即時測量CHT的溫度，以控制振盪器的微波輸出的溫度調節功能。

圖2：CHT快速加熱裝置的概念圖

研發小組利用該加熱裝置，在長60mm的CHT的正下方設置了在石英玻璃基底層上形成的多接面太陽能電池薄膜樣品，並利用驅動臺行程樣品（圖2），樣品整個表面的顏色均發生了變化（圖3）。顏色發生變化是因爲多接面太陽能電池薄膜隨着加熱而結晶的緣故。透過對分光反射率光譜和拉曼散射光譜的測量結果進行解析發現，樣品整個表面均勻結晶，而且形成了結晶率高達0.92的高品質結晶膜，與在多硅薄膜電晶體中用雷射形成結晶膜的結果不相上下。（日文發佈全文 https://www.tuat.ac.jp/documents/tuat/outline/disclosure/pressrelease/2019/20190415_01.pdf）