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導讀：1824年，年輕的法國工程師薩迪·卡諾發表了一篇著名論文，該論文對熱量如何高效轉化為功進行了解釋。卡諾在為熱力學的現代理解奠定基礎的同時，還暗示了能量回收和收集的方式，而這可能是21世紀應對氣候變化的重要途徑。卡諾（Carnot）循環表明，在任何能量轉換過程中，總有一些熱量會被排到低溫熱源（通常是周圍環境）中。僅在美國，消耗能量的61％就以這種方式變成了“浪費”的熱量（廢熱）。然而，這種廢熱的損失并非不可避免——原則上，可以通過驅動另一個能量轉換設備發電來將其回收。最近的一篇研究報道了如何將中溫熱輻射有效轉化為電能。

熱光電器件的機遇與挑戰

回收運輸、發電和工業過程中排出的熱量，推動了當前固態材料和器件領域的廣泛研究。廢熱很大一部分以輻射的形式損失，以長波和中紅外（IR）波長的不相干的寬帶電磁波發射。將這種熱輻射轉換為電能是該研究領域中一個令人興奮但又充滿挑戰的方向。

熱光伏器件顯示出了通過光伏機制將散發的熱輻射轉換成電能的巨大希望。通過利用光子學方法和近場效應，熱光電領域已經取得了實質性進展。但是，這些系統通常集中在高溫熱源（> 1000 ^oC）上，但是在美國，超過95％的熱量浪費（以及85％的潛在相關工作）是低于400 ^oC的。

較長波長熱輻射的直接轉換具有許多挑戰，例如入射光子通量較低和有效的低帶隙半導體十分有限。一種替代方法是使用整流天線，整流天線在較低能量的微波頻率下具有廣泛的應用。在這些設備中，入射的振蕩電磁波被天線狀結構吸收，并驅動直流電通過快速二極管。在較高的頻率下，金屬-絕緣體-金屬配置的超快直接隧道二極管顯示出巨大潛力，但是在與IR熱輻射相關的低電壓下，隧道二極管所需的高度不對稱性仍然難以實現。

成果簡介

近日，美國桑迪亞國家實驗室Robert Jareck和Andrew Starbuck等人使用雙極光柵耦合互補金屬-氧化物-硅（CMOS）隧道二極管直接將熱輻射轉換為電能，對于溫度為250 ^oC-400 ^oC的熱源，轉換后的功率密度達到27-61 μW/cm²。

圖1. 熱光電器件示意圖。

巧妙設計雙極二極管，解決問題！

Davids等設計了一種雙極金屬-氧化物半導體隧道結二極管，該二極管可將電磁波譜（7-14 μm）的長波IR部分中的入射光子轉換為電能。入射電磁波通過光柵耦合到電磁模式，該電磁模式可將光強烈地限制在金屬光柵和摻雜硅基層之間的3-4 nm的二氧化硅阻擋層中。強的電磁場驅動電子從摻雜的p型硅進入金屬并到達n型硅的光子輔助隧穿。盡管由于使用pn結而使整個過程與光伏系統具有表面上的相似之處，但電流是由兩個金屬氧化物半導體二極管之間的光子輔助隧穿而不是耗盡區產生的。

隧穿效率大幅提高

通過集中光或增強光-物質相互作用的光子方法，可以更有效地將來自低溫熱源（或高溫熱源，例如太陽）的熱輻射轉換為電能。這些方法對于提高熱光伏器件的性能至關重要。同樣，作者巧妙地利用了光子設計和材料特性來增強光子輔助隧穿效應。作者利用了8 μm范圍內的二氧化硅的聲子共振，該聲子共振能與200 ^oC-400^oC范圍內的熱源的黑體光譜很好地重疊。在這種特定的共振產生的波長范圍內，二氧化硅具有接近零的介電常數，并使漏斗式入射的熱輻射的隧穿效率提高。

圖2. 雙極熱光伏器件的多周期原理圖。

數量級的性能提升

作者證明了350 ^oC輻射源的峰值功率密度為61 μW/cm²。因為獲得的功率對應的能量轉換效率大大低于卡諾極限，所以看起來并不高。但是，這些數據比以前的單極金屬氧化物半導體隧道結二極管要高幾個數量級。

圖3. 雙極器件發電示意圖。

why?

多個相互交叉的雙極結產生了周期性的阱結構，在其中存儲電荷，可以將電荷從p⁺泵送至金屬，從金屬泵送至n⁺，從而實現了性能上的飛躍。此過程產生的開路電壓實質上高于隧道兩端的IR輻射感應的實際電壓，并克服了在小電壓下實現高不對稱性的挑戰。

展望未來

1）大量的入射熱輻射在遠離二氧化硅聲子共振的波長處不耦合。因此，可以結合光子微結構并利用不同材料的固有色散來使光子濃度更寬。這樣，才能利用更多的入射熱輻射。

2）仍然有大量的低于250 ^oC，一直到環境(0-50 ^oC)溫度的熱量被浪費。低溫輻射熱轉化為電能是能源效率的一個有趣的前沿。但最終必須能夠在一個較低的成本點提供有意義的性能。

3）根據卡諾的熱力學定律，我們轉換能量的能力具有根本的限制性。盡管如此，在最大范圍內更好地控制和利用熱能仍然具有相當大的進步空間。

參考文獻：

1. Paul S. Davids et al. Electrical power generation frommoderate-temperature radiative thermal sources. Science, 2020, 367, 1341–1345.

DOI: 10.1126/science.aba2089

https://science.sciencemag.org/content/367/6484/1341

2. Aaswath P. Raman. Thermal light tunnels its way into electricity.Science, 2020, 367, 1301-1302.

DOI: 10.1126/science.aba8976

http://science.sciencemag.org/content/367/6484/1301