Science：“发挥余热”，请认准量子隧穿

我们在中学时就学过，热传递通常有三种方式：传导、对流和辐射（去年Nature有篇论文，提出可能存在第四种方式——量子涨落 ^[1]）。从日常生活中的电子产品，到工业生产中的大型设备，工作中都会产生多余热量，这些热量大多以辐射的方式（比如红外线）散发到了周围环境中。手机发热还好说，挺多有点烫手，但工业生产中的大量废热，白白耗散掉不是太可惜了吗？有没有好的方法，将这些热量收集起来再利用，从而好好地“发挥余热”呢？

美国桑迪亚国家实验室的Paul S. Davids等人近日在Science 杂志发表文章，将隧道二极管（Tunnel diode）应用于热光伏（thermophotovoltaic，TPV）发电系统，可以将中温（100-400 °C）热源辐射的热量转换为电能。他们设计的这种双极光栅耦合互补金属氧化物硅（CMOS）隧道二极管，解决了现有TPV装置在中温条件下的使用局限问题。实验数据表明，对于从350 °C中温热源辐射的热量，他们的性能最优设备的电功率密度为61 μW/cm²，转换效率接近现有TPV转换效率。同时，他们还进一步深入研究了器件的工作原理。

双极光栅耦合隧道二极管模型示意图。图片来源：Science

TPV发电其实并不算是一个新技术。早在1956年，Aigrain就提出了这一概念，同年，H. H. Kolm在林肯实验室首先制备出了TPV器件 ^[2,3]。在以往的报道中，TPV发电系统和太阳能电池的原理类似，半导体吸收光子产生电子-空穴对，随后电子-空穴分离，产生开路电压。所不同的是，太阳能电池的能量来源是表面温度约6000 K太阳，其发射光谱可以类比成该温度下的黑体辐射，而废热远远达不到这个温度，现有TPV发电系统工作温度范围在1000-2000 K。

装置测试系统。图片来源：Science

在工业生产中，高温装置（1000 ~ 2000 K）向外辐射热量的波长在1.4 μm到3.0 μm之间，对应的半导体带隙应在0.43 eV到0.86 eV之间，因此需要选择窄带隙半导体（比如GaSb）。不过，大部分废热来源的温度没有这么高。中温区域（100-400 °C）的热源，辐射红外光的波长更长（7-12 μm）。因此，用更窄带隙的半导体捕捉低能光子产生电流变得十分困难。

如何解决这一难题呢？研究者选择利用隧道二极管。在量子力学中，无论粒子的能量高低，只要势垒的能量不是无穷高，厚度也不是无穷厚，粒子就有概率穿过势垒，这就是所谓的“量子隧道效应”。利用这一效应设计器件，就可能捕捉100-400 °C之间热源辐射出的低能光子，实现中温条件下高效的热光伏转换。双极光栅耦合隧道二极管TPV器件如下图所示，隧穿栅电极下方的叉指式双极pn结阵列作为电荷泵，将电子从p型区移动到n型阱。在光场的半个周期后，CMOS的两个隧道结产生反向偏压，这与传统P-N结中的光伏转换类似。所不同的是，器件电流不再符合经典的平方律模型，而是由两个CMOS隧道二极管中的超快光子辅助隧穿及随后的电荷泵浦决定。

光栅耦合双极隧道二极管TPV器件结构。图片来源：Science

随后，研究者建立了光子辅助隧穿产生的光电流模型，并利用双极光栅耦合隧穿器件进行实验验证。器件与热源相距~2 mm，有效面积约为60 μm × 60 μm，光栅间距为3.0 μm。实验中，器件2（氧化层厚度~3.5 nm）在350 ℃热源下，最高功率密度为61 μW/cm^-2，比以往数据高了10⁴~10⁵数量级（比如，之前有文献报道，器件功率密度为8 nW/cm^-2）^[4]；转换效率为0.4%，这与之前文献报道的较高温度（1000 ~ 2000 K ）下的TPV器件转换效率相当。

器件发电性能测试。图片来源：Science

“我们认为通过优化工艺，器件的转化效率可以提升至4%，这就有可能与现有的热电技术进行竞争了”，Paul Davids说，“当然，这一技术并不能用于并网发电，但利用发动机废热给电子设备供能还是没有问题的”。^[5]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Electrical power generation from moderate-temperature radiative thermal sources

Paul S. Davids*, Jared Kirsch, Andrew Starbuck, Robert Jarecki, Joshua Shank, David Peters

Science, 2020, DOI: 10.1126/science.aba2089

参考文献

1. Fong, K.Y., Li, H., Zhao, R. et al. Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations. Nature, 2019, 576, 243-247. DOI: 10.1038/s41586-019-1800-4

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1800-4

2. Aigrain P. Thermophotovoltaic conversion of radiant energy; unpublished lecture series at MIT, 1956.

3. Coutts T. J., A review of progress in thermophotovoltaic generation of electricity. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 1999, 3, 77-184. DOI: 10.1016/s1364-0321(98)00021-5

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032198000215?via%3Dihub

4. Shank J., Kadlec E. A., Jarecki R. L. et al. Power generation from a radiative thermal source using a large-area infrared rectenna. Phys. Rev. Appl., 2018, 9, 054040. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.9.054040

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.9.054040

5. Science Podcast: Brickmaking bacteria and solar cells that turn ‘waste’ heat into electricity

https://www.sciencemag.org/sites/default/files/SciencePodcast_200221.pdf

（本文由小希供稿）