Science：“发挥余热”，请认准量子隧穿
最后更新：2020-03-07 14:26:07 手机定位技术交流文章
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我们在高中时了解到通常有三种传热方式:传导、对流和辐射(自然杂志去年有一篇论文，建议可能有第四种方式——量子涨落
双极光栅耦合隧道二极管模型图图片来源:科学
TPV发电实际上并不是一项新技术。早在1956年，艾格兰就提出了这个概念。同年，科姆在林肯实验室首次制造了TPV装置。在以前的报告中，TPV发电系统的原理类似于太阳能电池。半导体吸收光子产生电子-空穴对，然后电子-空穴对被分离产生开路电压。不同之处在于太阳能电池的能量来源是表面温度约为6000 K的太阳。在此温度下，其发射光谱可类比为黑体辐射，而废热远低于此温度。现有TPV发电系统的工作温度范围为1000-2000 K
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设备测试系统照片来源:科学
在工业生产中，高温器件(1000 ~ 2000 K)辐射的热波长在1.4微米和3.0微米之间，相应的半导体带隙应在0.43电子伏和0.86电子伏之间，因此需要选择窄带隙半导体(如GaSb)。然而，大多数废热源的温度并不高。中温区(100-400℃)的热源具有较长的波长(7-12微米)来辐射红外光。因此，用带隙较窄的半导体捕获低能光子并产生电流变得非常困难。
如何解决这个问题？研究人员选择使用隧道二极管在量子力学中，无论粒子的能量有多高或多低，只要势垒的能量不是无限的，厚度也不是无限的，粒子就有可能穿过势垒，这就是所谓的“量子隧穿效应”利用这种效应来设计器件，可以捕获100-400℃之间热源辐射的低能光子，并在中等温度下实现高效的热光伏转换。双极光栅耦合隧道二极管TPV器件如下图所示。隧道栅电极下方的叉指双极pn结阵列充当电荷泵，以将电子从P型区域移动到N型阱。经过半个周期的光场后，CMOS的两个隧道结产生反向偏置电压，这类似于传统pn结中的光伏转换不同之处在于，器件电流不再符合经典平方律模型，而是由两个CMOS隧道二极管中的超快光子辅助隧穿和随后的电荷泵决定。
光栅耦合双极隧道二极管TPV器件结构照片来源:科学
随后，研究人员建立了一个由光子辅助隧穿产生的光电流模型，并用双极光栅耦合隧穿器件进行了实验验证。该装置与热源之间的距离约为2 mm，有效面积约为60微米× 60微米，光栅间距为3.0微米米。在实验中，器件2(氧化层厚度~3.5 nm)在350℃热源下的最大功率密度为61 μW/cm-2，比之前的数据(如之前文献中报道的器件功率密度为8 NW/cm-2)
器件发电性能测试高出104~105个数量级。图片来源:科学
“我们相信，通过优化工艺，该设备的转换效率可以提高到4%，这很可能与现有的热电技术相竞争，”保罗·戴维斯说。“当然，这项技术不能用于并网发电，但利用发动机的余热为电子设备提供动力仍然没有问题。”[5]
中温辐射热源发电
保罗·大卫斯*、贾里德·基尔希、安德鲁·斯塔克、罗伯特·贾瑞基、约书亚·申克、大卫·彼得斯
科学，2020，doi: 10.1126/science。参考文献
1.fong，k.y，李，h，赵，r .等.通过量子涨落的真空声子传热.自然，2019，576，243-247。DOI:10.1038/s 11586-019-1800-4
http://www . nature . com/articles/s 11586-019-1800-4
2。辐射能的热光电转换；麻省理工学院未出版的系列讲座，1956.
3。热光电发电进展综述。可再生能源和。可持续能源评论，1999，3，77-184。DOI:10.1016/s 1364-0321(98)00021-5
https://www . science direct . com/science/article/pii/S 1364032198000215？通过%3Dihub
4。使用大面积红外整流天线从辐射热源发电。物理修订申请，2018，9，054040。DOI:10.1103/PhysRevapplied . 9.054040
https://journals . APS . org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevapplied . 9.054040
5。科学播客:将“废”热转化为电能的制砖细菌和太阳能电池
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