新型光整流天線收集能量效率提高百倍 相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·通訊》雜志

在近日出版的《自然·通訊》雜志上，介紹了一項(xiàng)能源研究的新進(jìn)展：美國(guó)科羅拉多博爾德大學(xué)科學(xué)家利用電子神奇的“共振隧穿”效應(yīng)，設(shè)計(jì)出一種能從環(huán)境中捕獲多余熱量并將其轉(zhuǎn)化為可用電力的設(shè)備。

研究人員將這種新設(shè)備稱為“光整流天線”(optical rectennas)，雖然非常小，但其效率大約是類似能量收集設(shè)備的100倍。達(dá)到如此高的效率，正是利用了“共振隧穿”效應(yīng)——電子在不消耗任何能量的情況下穿過(guò)固體物質(zhì)。這項(xiàng)成果使光整流天線朝著更加實(shí)用的方向邁出了重要一步。

整流天線開(kāi)發(fā)于上世紀(jì)六七十年代，由吸收輻射的天線和將能量轉(zhuǎn)化為直流電流的二極管組成。為了捕獲熱輻射，整流管必須足夠小。然而設(shè)備越小，其電阻就越高，這會(huì)縮小功率輸出。因此，讓整流天線不僅具有非常低的電阻，還能捕獲光一直是此類設(shè)備研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)。

此次，研究人員設(shè)計(jì)了迄今首個(gè)能夠發(fā)電的整流天線。該研究論文主要作者阿米娜·貝爾卡迪說(shuō)：“我們首次證明了，在能量收集整流天線中電子發(fā)生了共振隧穿。”

貝爾卡迪解釋說(shuō)，在傳統(tǒng)整流天線中，電子必須通過(guò)絕緣體才能發(fā)電。這些絕緣體給設(shè)備增加了很大電阻，減少了可輸出電量。

而在最新研究中，他們?cè)谠O(shè)備上增加了兩個(gè)絕緣體，而不是一個(gè)。這產(chǎn)生一種叫作量子“阱”的效應(yīng)。如果電子以恰到好處的能量擊中這個(gè)阱，就可以利用它穿過(guò)兩個(gè)絕緣體，且在這個(gè)過(guò)程中不會(huì)遇到任何阻力。“如果你選擇合適的材料，合適的厚度，就能使電子暢通無(wú)阻。”貝爾卡迪說(shuō)，就像幽靈一般“穿墻而過(guò)”。

為了測(cè)試這種效應(yīng)，研究人員在實(shí)驗(yàn)室的熱板上排列了一個(gè)由25萬(wàn)個(gè)整流天線組成的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)其捕獲的熱量尚不足1%。但貝爾卡迪認(rèn)為這個(gè)數(shù)字還會(huì)繼續(xù)上升，“如果使用不同的材料或改變絕緣體，讓阱更深，就會(huì)有更多電子通過(guò)。”

光整流天線有望給可再生能源領(lǐng)域帶來(lái)變革，比如收集工廠煙囪或烘焙烤箱發(fā)出的熱量，一些科學(xué)家甚至設(shè)想將其安裝在地球上空的航天器上，捕獲從地球輻射到外太空的能量。研究合作者加雷特·莫德?tīng)柦淌谡f(shuō)：“如果你能捕獲輻射到外層空間的熱量，那么你就能在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)獲得電力。”