隨著傳感器和增強(qiáng)型通信工具的加入，提供輕便的便攜式電源變得更具挑戰(zhàn)性。陸軍資助的研究展示了一種將熱能轉(zhuǎn)化為電能的新方法，可以提供緊湊高效的電力。

       熱物體以光子的形式將光輻射到周?chē)h(huán)境中。發(fā)射的光子可以被光伏電池捕獲并轉(zhuǎn)化為有用的電能。這種能量轉(zhuǎn)換方法被稱(chēng)為遠(yuǎn)場(chǎng)熱光伏，或 FF-TPV，已經(jīng)開(kāi)發(fā)多年；然而，它的功率密度低，因此需要發(fā)射器的高工作溫度。


       只要溫度高就能發(fā)電？如何做到讓電源輕松上陣


       這項(xiàng)在密歇根大學(xué)進(jìn)行并發(fā)表在Nature Communications 上的研究展示了一種新方法，其中發(fā)射器和光伏電池之間的間隔減小到納米級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)比 FF-TPV 更大的功率輸出相同的發(fā)射器溫度。


       這種能夠捕獲被捕獲在發(fā)射器近場(chǎng)中的能量的方法被稱(chēng)為近場(chǎng)熱光伏或 NF-TPV，它使用定制的光伏電池和發(fā)射器設(shè)計(jì)，非常適合近場(chǎng)工作條件。

       據(jù)報(bào)道，該技術(shù)的功率密度幾乎比報(bào)告最好的近場(chǎng) TPV 系統(tǒng)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)工作效率也提高了六倍，為未來(lái)的近場(chǎng) TPV 應(yīng)用鋪平了道路。 Edgar Meyhofer 博士，密歇根大學(xué)機(jī)械工程教授。

       Mike Waits 博士說(shuō)：“陸軍在部署和戰(zhàn)場(chǎng)行動(dòng)期間會(huì)使用大量電力，必須由士兵或重量受限的系統(tǒng)攜帶。” “如果成功，未來(lái)近場(chǎng) TPV 可以作為更緊湊、更高效的電源，因?yàn)檫@些設(shè)備可以在比傳統(tǒng) TPV 更低的工作溫度下工作。”

       TPV 器件的效率由發(fā)射器和光伏電池之間的總能量轉(zhuǎn)移中有多少用于激發(fā)光伏電池中的電子-空穴對(duì)來(lái)表征。雖然增加發(fā)射器的溫度會(huì)增加電池帶隙以上的光子數(shù)量，但需要最小化可以加熱光伏電池的子帶隙光子數(shù)量。

       “這是通過(guò)制造具有超平坦表面和金屬背反射器的薄膜 TPV 電池實(shí)現(xiàn)的，”密歇根大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程教授 Stephen Forrest 博士說(shuō)。“電池帶隙以上的光子被微米厚的半導(dǎo)體有效吸收，而帶隙以下的光子被反射回硅發(fā)射器并回收利用。”

       該團(tuán)隊(duì)在厚的半導(dǎo)體基板上生長(zhǎng)薄膜砷化銦鎵光伏電池，然后剝離電池的非常薄的半導(dǎo)體有源區(qū)并將其轉(zhuǎn)移到硅基板上。所有這些設(shè)備設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新導(dǎo)致了一種新型的近場(chǎng) TPV 系統(tǒng)。“該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的 ~5 kW/m2 功率輸出，這比之前文獻(xiàn)中報(bào)道的系統(tǒng)大一個(gè)數(shù)量級(jí)，”密歇根大學(xué)機(jī)械工程教授 Pramod Reddy 博士說(shuō)。

       只要溫度高就能發(fā)電？如何做到讓電源輕松上陣

       研究人員還進(jìn)行了最先進(jìn)的理論計(jì)算，以估計(jì)光伏電池在每個(gè)溫度和間隙尺寸下的性能，并在實(shí)驗(yàn)和計(jì)算預(yù)測(cè)之間顯示出良好的一致性。“目前的演示符合納米級(jí)輻射傳熱的理論預(yù)測(cè)，并直接展示了為陸軍在電力和能源、通信和傳感器方面的應(yīng)用開(kāi)發(fā)未來(lái)近場(chǎng) TPV 設(shè)備的潛力，”項(xiàng)目經(jīng)理 Pani Varanasi 博士說(shuō)， DEVCOM ARL 資助了這項(xiàng)工作。