前言:
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我们在中学时就学过,热传递通常有三种方式:传导、对流和辐射(去年Nature有篇论文,提出可能存在第四种方式——量子涨落 [1])。从日常生活中的电子产品,到工业生产中的大型设备,工作中都会产生多余热量,这些热量大多以辐射的方式(比如红外线)散发到了周围环境中。手机发热还好说,挺多有点烫手,但工业生产中的大量废热,白白耗散掉不是太可惜了吗?有没有好的方法,将这些热量收集起来再利用,从而好好地“发挥余热”呢?
美国桑迪亚国家实验室的Paul S. Davids等人近日在Science 杂志发表文章,将隧道二极管(unnel diode)应用于热光伏(thermophotovoltaic,TPV)发电系统,可以将中温(100-400 °C)热源辐射的热量转换为电能。他们设计的这种双极光栅耦合互补金属氧化物硅(CMOS)隧道二极管,解决了现有TPV装置在中温条件下的使用局限问题。实验数据表明,对于从350 °C中温热源辐射的热量,他们的性能最优设备的电功率密度为61 μW/cm2,转换效率接近现有TPV转换效率。同时,他们还进一步深入研究了器件的工作原理。
双极光栅耦合隧道二极管模型示意图。图片来源:Science
TPV发电其实并不算是一个新技术。早在1956年,Aigrain就提出了这一概念,同年,H. H. Kolm在林肯实验室首先制备出了TPV器件 [2,3]。在以往的报道中,TPV发电系统和太阳能电池的原理类似,半导体吸收光子产生电子-空穴对,随后电子-空穴分离,产生开路电压。所不同的是,太阳能电池的能量来源是表面温度约6000 K太阳,其发射光谱可以类比成该温度下的黑体辐射,而废热远远达不到这个温度,现有TPV发电系统工作温度范围在1000-2000 K。
装置测试系统。图片来源:Science
在工业生产中,高温装置(1000 ~ 2000 K)向外辐射热量的波长在1.4 μm到3.0 μm之间,对应的半导体带隙应在0.43 eV到0.86 eV之间,因此需要选择窄带隙半导体(比如GaSb)。不过,大部分废热来源的温度没有这么高。中温区域(100-400 °C)的热源,辐射红外光的波长更长(7-12 μm)。因此,用更窄带隙的半导体捕捉低能光子产生电流变得十分困难。
如何解决这一难题呢?研究者选择利用隧道二极管。在量子力学中,无论粒子的能量高低,只要势垒的能量不是无穷高,厚度也不是无穷厚,粒子就有概率穿过势垒,这就是所谓的“量子隧道效应”。利用这一效应设计器件,就可能捕捉100-400 °C之间热源辐射出的低能光子,实现中温条件下高效的热光伏转换。双极光栅耦合隧道二极管TPV器件如下图所示,隧穿栅电极下方的叉指式双极pn结阵列作为电荷泵,将电子从p型区移动到n型阱。在光场的半个周期后,CMOS的两个隧道结产生反向偏压,这与传统P-N结中的光伏转换类似。所不同的是,器件电流不再符合经典的平方律模型,而是由两个CMOS隧道二极管中的超快光子辅助隧穿及随后的电荷泵浦决定。
光栅耦合双极隧道二极管TPV器件结构。图片来源:Science
随后,研究者建立了光子辅助隧穿产生的光电流模型,并利用双极光栅耦合隧穿器件进行实验验证。器件与热源相距~2 mm,有效面积约为60 μm × 60 μm,光栅间距为3.0 μm。实验中,器件2(氧化层厚度~3.5 nm)在350 ℃热源下,最高功率密度为61 μW/cm-2,比以往数据高了104~105数量级(比如,之前有文献报道,器件功率密度为8 nW/cm-2)[4];转换效率为0.4%,这与之前文献报道的较高温度(1000 ~ 2000 K )下的TPV器件转换效率相当。
器件发电性能测试。图片来源:Science
“我们认为通过优化工艺,器件的转化效率可以提升至4%,这就有可能与现有的热电技术进行竞争了”,Paul Davids说,“当然,这一技术并不能用于并网发电,但利用发动机废热给电子设备供能还是没有问题的”。[5]
Electrical power generation from moderate-temperature radiative thermal sources
Paul S. Davids*, Jared Kirsch, Andrew Starbuck, Robert Jarecki, Joshua Shank, David Peters
Science, 2020, DOI: 10.1126/science.aba2089
参考文献
1. Fong, K.Y., Li, H., Zhao, R. et al. Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations. Nature, 2019, 576, 243-247. DOI: 10.1038/s41586-019-1800-4
2. Aigrain P. Thermophotovoltaic conversion of radiant energy; unpublished lecture series at MIT, 1956.
3. Coutts T. J., A review of progress in thermophotovoltaic generation of electricity. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 1999, 3, 77-184. DOI: 10.1016/s1364-0321(98)00021-5
4. Shank J., Kadlec E. A., Jarecki R. L. et al. Power generation from a radiative thermal source using a large-area infrared rectenna. Phys. Rev. Appl., 2018, 9, 054040. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.9.054040
5. Science Podcast: Brickmaking bacteria and solar cells that turn ‘waste’ heat into electricity
(本文由小希供稿)