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澳大利亚团队用HgCdTe光电二极管发电

2022/6/9 13:56:11      材料来源:化合物半导体

研究表明,即使在太阳落山之后,地球的红外辐射热也可用来发电
 
热辐射二极管是一种不太为人所知的太阳能光伏技术的对应物。它们利用光的净发射而不是其吸收来发电。
 
虽然将该技术应用于夜空发电和余热回收有很好的理论预测,但目前的技术极限尚未有探索。
 
现在,澳大利亚南威尔士大学的一个团队已经测量了HgCdTe光电二极管在一个带隙能量范围内热辐射和光伏运行中的电光特性。该研究结果发表在ACS Photonics上。
 
“就像太阳能电池可以通过吸收非常热的太阳发出的光来发电一样,热辐射二极管通过向较冷的环境发射红外光来发电。在这两种情况下,温差都是让我们发电的原因。”该论文的合著者之一Phoebe Pearce说。
 
在温差仅为 12.5 摄氏度的情况下,该团队测量了一个在 4.7 μm 附近发射的光电二极管的热辐射电功率密度峰值为 2.26 mW/m2,估计辐射效率为1.8%。
 
尽管现阶段产生的电量非常小——大约比一个太阳能电池板提供的电量少10万倍——但研究人员相信这结果在未来可以得到改善。并且地球的红外辐射热可以用来发电,即使在太阳落山之后。
 
团队负责人 Ned Ekins-Daukes 说:“我们已经对热辐射二极管的电力进行了明确的演示。”
 
“使用红外热像仪,你可以看到夜间有多少辐射,但只是在红外线而不是可见光波长中。我们所做的是制造一种可以从红外热辐射的发射中发电的设备。”
 
(上图是通过红外摄像机拍摄的新南威尔士大学“夜间太阳能”团队,该团队使用相同的半导体技术,利用光的发射发电。)
 
能量的流动
 
Ekins-Daukes 说,这个过程最终还是在利用太阳能,太阳能在白天以阳光的形式来到地球并使地球变暖。
 
到了晚上,太阳能以红外光的形式辐射回广阔而寒冷的外太空,热辐射二极管现在被证明能够利用这一过程来发电。
 
“只要有能量流动,我们就可以将其在不同的形式间转换。”他说。
 
“光伏发电,即将阳光直接转化为电能,是人类为了将太阳能转化为电能而开发的一个人工过程。从这个意义上说,热辐射过程是类似的。当红外线从温暖的地球转移到寒冷的宇宙中,我们将它的能量进行转化。”Phoebe Pearce补充道。
 
Ekins-Daukes 将这项新研究比作贝尔实验室工程师的工作,后者在 1954年展示了第一个实用的硅太阳能电池。
 
第一个硅太阳能电池的效率只有 2% 左右,但现在的太阳能电池能够将大约 23%的太阳光转化为电能。
 
该论文的合著者Michael Nielsen说:“即使这些技术的商业化还有一段路要走,作为一名研究人员,处于一个不断发展的技术的最初阶段是令人兴奋的。”
 
“通过利用我们在如何设计和优化太阳能电池方面的知识,以及从现有的中红外光电探测器领域中借用材料,我们希望在实现夜间太阳能发电梦想方面取得快速进展。”
 
研究小组认为,这项新技术通过实现以目前不可能的方式发电,能在未来实现一系列的应用。
 
来自体热的能量
 
其中之一的可能是为仿生设备供电,例如人工心脏,目前这些器件的运行需要定期更换电池。
 
Ekins-Daukes说:“原则上,我们有可能以我们所展示的方式仅通过体热来发电——如果你通过热像仪观察,你可以看到身体在发光。
 
“接下来,这项技术可能会收集这种能量从而消除某些器件对电池的需求——或者帮助它们充电。而传统太阳能对此不一定行得通。”
 
新南威尔士大学的新成果建立在该小组之前的工作基础上,共同作者 Andreas Pusch开发了一个数学模型,帮助指导他们的实验室实验。
 
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