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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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