科学家新发明能将余热转化为电能 一张A4纸大就能为计算器供电

桑迪亚国家实验室开发的这种硅基装置可以捕捉并将余热转化为电能。

这种整流天线由普通的铝、硅和二氧化硅制成，采用集成电路行业的标准工艺。

(图源：ScienceDaily)

直接将电能转化为热能很容易。它经常发生在你的烤面包机里，也就是说，如果你经常烤面包的话。

相反，把热能转换成电能，并不容易。

来自桑迪亚国家实验室的研究人员已经开发出一种小型硅基设备，它可以利用以前被称为“余热/废热”的物质，并将其转化为直流电源。他们的进展最近发表在《物理评论应用(Physical Review Applied)》上。

“我们已经开发出一种从废热中回收能量的新方法。汽车引擎产生大量的热量而这些热量都浪费了，不是吗?想象一下，如果你能把发动机的热量转换成混合动力汽车的电能。这是朝着这个方向迈出的第一步，但还需要做更多的工作。”该研究的主要研究员、物理学家Paul Davids说。

“在短期内，我们希望制造一种小型红外电源，或许可以取代放射性同位素热电发电机。”

这种发电机被称为RTGs，用于为空间任务中的传感器供电，这些传感器无法获得足够的直射阳光来为太阳能电池板供电。

Davids的设备是由普通和丰富的材料制成的，例如铝、硅和二氧化硅(或玻璃)，以非常不寻常的方式组合在一起。

硅设备捕捉、输送并将热量转化为电能

这个设备比小指小，厚度只有一角硬币并带有金属光泽。顶部是铝，上面的条纹大约是人类头发宽度的20倍。

这个图案虽然太小了，肉眼看不到，但它是用来接收红外辐射的天线。

在铝的顶部和硅的底部之间有一层非常薄的二氧化硅。这一层大约有20个硅原子厚，比人类头发薄1.6万倍。

该图案和蚀刻的铝天线将红外辐射传输到这个薄层。

被困在二氧化硅中的红外辐射会产生非常快的电振荡，大约每秒50万亿次。它以不对称的方式推动电子在铝和硅之间来回运动。

这个过程叫做整流，产生净直流电流。

这个团队把它的设备称为一个红外硅整流二极管天线，一个整流天线的合成器。

它是一种固态设备，没有运动部件堵塞、弯曲或断裂，也不需要直接接触热源，这可能导致热应力。

红外硅整流二极管天线的生产工艺通用

由于该团队利用集成电路产业所使用的相同工艺制作红外硅整流二极管天线，所以它很容易增减，该论文的第一作者Joshua Shank说，他测试了这些设备，并在他是桑迪亚博士后研究员的时候对基础物理进行了建模。

他补充说，“我们有意将重点放在可增减的常用材料和过程上。从理论上讲，任何商业集成电路制造设备都可以制造这些红外硅整流二极管天线。”

这并不是说目前制造这些设备很容易。

负责工艺开发的制造工程师罗布·贾勒基(Rob Jarecki)说:“在外层下面有巨大的复杂性，设备需要各种各样的加工技术来制造它们。”

Jarecki说，最大的制造挑战之一是在硅中加入少量其他元素，或者掺杂这些元素，使其像金属一样反射红外线。

“通常情况下，你不能加入太多硅，也不能太少，这种情况下，我们需要在不破坏材料的情况下尽可能多地掺杂它。”

这些设备是在桑迪亚的微系统工程、科学和应用综合等实验室中制造的。

该团队已经获得了红外硅整流二极管天线的专利，并已申请了其他多项专利。

该研究小组在《物理评论应用(Physical Review Applied)》杂志上发表的红外硅整流二极管天线每平方厘米产生8微瓦功率，使用的是一盏专业的热灯，温度为840度。

就环境而言，一个典型的太阳能计算器使用大约5微瓦，所以他们需要一个比标准纸张稍大一点的红外硅整流二极管天线来给计算器供电。

因此，该团队有许多未来改进的想法，使红外硅整流二极管天线更有效。

他们未来的工作是提高效率

这些想法包括制作红外硅整流二极管天线的顶部图案使用了2D x，而不是一维条纹，以吸收所有偏振的红外光;

将整流层重新设计为全波整流，而不是目前的半波整流;

在更薄的硅片上制作红外直纹，以减少由于电阻造成的功率损失。

通过改进设计和提高转换效率，单位面积的输出功率将会增加。

Davids认为，在五年内，红外硅整流二极管天线可能是一个很好的替代RTGs的小型电源。

Shank说:“我们需要继续改进，以与RTGs相媲美，但是红外硅整流二极管天线对于任何需要长期可靠工作的应用都是有用的，在这些应用中，你不能只需要更换电池就可以了。然而，我们不会成为太阳能电池板的替代能源，至少在近期内不会。”

Davids补充说:“我们一直在努力解决这个问题，现在我们开始看到电力转换取得了相对较大的进展，我认为有一条路可以替代热电。到达目前的情况感觉很好。如果我们能扩大规模，改变世界，那就太好了。”

这项研究由桑迪亚实验室指导的研究和开发项目资助。

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