光轉(zhuǎn)直流電：一根天線的奇思妙想

時間:2015-10-09 09:18來源:OFweek太陽能光伏網(wǎng) 作者:西顧
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        使用納米尺度組件，喬治亞理工學(xué)院的研究者們演示了第一個光學(xué)整流器，它是一個結(jié)合天線和整流二極管功能的裝置，能直接將光轉(zhuǎn)換為直流電。
 
　　基于多層碳納米管和在其上制造的微小整流器，光學(xué)整流天線可能提供一種用于能量采集的新技術(shù)，包括不需要冷卻就能運(yùn)作的光電探測器、把余熱轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏�、以及高效地捕獲太陽能。
 
　　在該新設(shè)備中，碳納米管充當(dāng)天線捕獲來自太陽或其他光源的光。當(dāng)光波擊中納米管天線時，它們產(chǎn)生振蕩電荷流經(jīng)相連的整流裝置，整流器以創(chuàng)紀(jì)錄的拍赫（PHz，1015Hz）頻率開關(guān)，產(chǎn)生出小股直流電流。
　　目前為止演示的器件效率在1%以下，但研究者們希望用數(shù)十億個整流天線的陣列來增加輸出，可能會產(chǎn)生可觀的電流。他們相信具有商業(yè)潛力的整流天線可能會在一年內(nèi)可用。
 
　　“我們最終可能造出效率兩倍而成本低十倍的太陽能電池，對我來說這是一個以非常高大上的方式改變世界的機(jī)會。”佐治亞理工學(xué)院喬治·w·伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院副教授BaratundeCola說。“如果我們能達(dá)到1%的效率，這些整流天線作為魯棒的高溫探測器可以成為完全顛覆性的技術(shù)。如果我們能夠獲得更高的效率，我們可以把它應(yīng)用到能源轉(zhuǎn)換技術(shù)和太陽能捕獲上。”
 
　　“整流天線基本上就是一個天線和整流二極管配對，但是當(dāng)你踏入光學(xué)頻譜，這通常意味著納米尺度天線和金屬-絕緣體-金屬二極管相耦合，”Cola解釋道，“你的天線越接近二極管，效率就越高。因此理想的結(jié)構(gòu)將天線作為二極管中的金屬極之一——這就是我們所制造的結(jié)構(gòu)。”
 
　　Cola的小組所制造的該整流天線培養(yǎng)在剛性基底上，但目標(biāo)是在能生產(chǎn)出柔性太陽能電池或光電探測器的箔或其它材料上生長它們。
 
　　Cola把至今為止建造出的整流天線視為簡單的原理證明，“我們認(rèn)為，我們可以僅僅通過改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的制造工藝，就能把阻抗降低幾個數(shù)量級。根據(jù)其他人的工作，以及理論向我們所展示的，我相信這些設(shè)備可能達(dá)到超過40%的效率。”
 
　　該研究受到美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）、空間與海戰(zhàn)（SPAWAR）系統(tǒng)中心和陸軍研究辦公室（ARO）支持，九月二十八日發(fā)表在《自然納米技術(shù)》期刊上。
 
　　整流天線在六七十年代研發(fā)，已經(jīng)運(yùn)作在短至十微米的波長上，但40多年來研究者們一直試圖制造可見光波段上的設(shè)備，這里有許多挑戰(zhàn)：使天線足夠小能耦合光學(xué)波長，并制造一個匹配的整流二極管，使之足夠小、操作足夠快以捕獲電磁波振蕩。但高效率和低成本的潛力讓科學(xué)家們在此技術(shù)上前仆后繼。
 
　　整流天線的制造始于在導(dǎo)電基底上生長垂直排列的碳納米管森林。利用化學(xué)氣相沉積的原子層，碳納米管覆以鋁氧化物材料來絕緣，最后，用物理氣相沉積來沉積光學(xué)透明的鈣薄膜，然后在碳納米管森林頂部沉積金屬鋁。碳納米管和鈣之間的功函數(shù)差異提供約2電子伏特的電勢，足以驅(qū)動電子在受光激發(fā)時流出碳納米管天線。
 
　　在運(yùn)作中，光振蕩波通過透明的鈣鋁電極并與碳納米管相作用。碳納米管尖端的金屬-絕緣體-金屬接合處充當(dāng)以飛秒間隔開關(guān)的整流器，使天線產(chǎn)生的電子單向流入頂部電極。低至幾個阿法（10-18法拉）的超低電容讓這些10納米直徑的二極管能在這種超常的頻率運(yùn)作。
 
　　使用納米尺度組件，喬治亞理工學(xué)院的研究者們演示了第一個光學(xué)整流器，它是一個結(jié)合天線和整流二極管功能的裝置，能直接將光轉(zhuǎn)換為直流電。
 
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