专家研究出中温辐射热源发电

中等温度的热源经常散发废热,这些废热是机械功,化学或核反应或信息处理的副产品。在《科学》杂志的最新报告中,Paul S. Davids和美国桑迪亚国家实验室的研究团队演示了将热辐射转换为电能的过程。

为此,他们使用了双极光栅耦合的互补金属氧化物硅(CMOS)隧道二极管。利用两步光子辅助隧穿电荷泵机制,研究小组在pn结中分离了载流子会在负载两端产生很大的开路电压。

科学家通过实验表明,宽带黑体热源的发电功率介于250摄氏度至400摄氏度之间,转换后的功率密度为27至61 µW / cm 2。已证明可扩展且有效地将辐射废热转换为电能可用于降低能耗—为电子设备和传感器供电。

光栅耦合双极隧道二极管热光伏器件。(A)真空辐射测量装置中双极热光伏器件的热照明示意图。将设备包装并安装在温度稳定在20°C的冷却台上。(B)双周期热光电器件的多个周期的示意图,示出了电荷泵浦机制。(C)实际的双极光栅耦合隧道二极管在正面接触方案下产生共振的图像。(光栅面积为60μm×60μm。)(D)在峰值场约束下,在薄隧道势垒中模拟的横向空间场轮廓。该受限的场导致了驱动的光子辅助隧穿。(E)n + MOS隧穿二极管的IV型隧穿特性。Rn和rn是正向和反向偏置以及隧穿电流的整流中的二极管电阻。(模型p + MOS具有类似的IV特性。)

在有限的温度下,所有对象由于其原子成分在特征光谱中的热波动而辐射,该特征光谱取决于对象的表面温度和光谱发射率。

太阳的辐射热传递是当前可用于地球的主要辐射能量资源,而光伏发电是一种有效且迅速发展的技术,旨在将这种入射辐射转换为电能(例如太阳能电池)。

但是,其他辐射热源,包括较凉爽的地面热源或人为废热,可以提供相当大的净能量交换,作为易于使用的电源,并提供有效的转换。

能量转换和光子介导的电荷泵的新方法

将宽带热源的辐射转换成电能的热电(TPV)设备是将太阳能转换为废热的有前途的技术。这样的器件通常通过加热作为选择发射器的辅助热源来工作。

在该次级热源中,将发射光谱过滤并与小带隙半导体器件匹配。半导体器件可以是被设计用于吸收光子的pn结,该光子发生在其耗尽区中,从而形成电子空穴对。

并导致电荷的分离和整个器件的开路电压的感应。但是,从中温温度源进行TPV转换以进行大规模发电可能非常具有挑战性。因此,科学家提出了多种方法 以提高中温源的TPV转换效率。

真空热光电测量系统(a)用于热电转换的示意图。RLoad是真空以外的可变负载电阻。(b)涂有用于热源的黑体高发射率涂料的圆形加热器。样品放在安装在线性平台上的冷却铜块上,以进行位置控制。(c)包装好的样本齐平安装,并从背面与安装在样本正面和样本背面的热电偶进行电接触,以进行温度监控。

例如,热电转换的替代方法是基于使用超快速隧穿的红外辐射的直接整流(将交流转换为直流)。Davids等提出了一种新的方法,可以通过光子辅助隧穿和隧道势垒中的空间变化有限的光场。

在100摄氏度至400摄氏度的温度范围内从低品位热源进行热光电转换。隧道栅电极下方的叉指式双极pn结阵列充当电荷泵,将电子从光场内的p型区域移动到n型区域。

科学家们对设置进行了优化,并分别接触了相互交叉的p和n区域,以测量跨可变外部负载电阻R(使pn结短路)的发电量。与直接整流相比,有效的二极管电压倍增器电路可提高发电量几个数量级。

对设备建模

双极光栅耦合隧道二极管模型。(A)在金属栅极下的双极型器件的平衡带图,显示电子和空穴粒子电流。(插图显示了晶胞的几何形状。光栅的周期为P = 3μm,金属宽度为w = 1.8μm,d = 3–4.5 nm。)(B)器件在t = 0时的瞬时电压曲线并且在t = T / 2时。空间变化的电流同时出现在n和p +区域,并且电压节点移至负x位置。半周期瞬时电压曲线和器件两端的电流。电压节点移至正x位置。(C)在电场增强γ= 20和d = 4 nm的情况下,带宽在c / 8.0μm至c / 7.0μm之间的每单位面积的积分黑体源功率(红色曲线)。蓝色曲线与交流电压幅度Vm相关。(D)具有谐振PAT单光子电压的典型n + MOS隧道二极管的实测隧道二极管特性。(E)从n + MOS隧道二极管中提取的电阻。在指示的光电压下,Rn≤200Ω,rn≤50,000Ω。

在双极天线耦合隧道二极管整流器中进行热光伏转换的理想器件模型通常在平衡MOS(金属氧化物硅)金属栅极下包含一个掩埋的对称pn结。

该设备可以通过模拟为黑体宽带发射器的热源进行照明。Davids等。根据其二极管的电导和电容,观察到由于隧道二极管的复数导纳(电流)而产生的复数电流。

可以通过电流匹配条件来估计自洽直流电压,这要求设备中产生的半周期电流相等且方向相反。作为双极型转换器件的关键特性,研究小组注意到。

在金属下方有一个周期性的掩埋pn结,用于电荷存储,是由两个正向偏置的隧道结共同作用而泵浦的。他们指出,开路电压越大,双极型设备的发电量就越大。

双极设备发电。(A)用于发电的设备触点的电路图。(B)通过标称4 nm栅氧化层(器件1)和标称3.5 nm栅氧化层(器件2)的TEM截面。(C)在各种源温度下,器件1的测量功率密度与负载电阻的函数关系;在不同结温下,由负载电阻器短路的pn结两端的测量电压与负载电阻的关系。(D)器件2的测量功率密度与接地和浮动金属栅极在固定源温度下的负载电阻的函数关系,以及通过负载电阻短路的pn结两端的测量电压与负载电阻之间的关系。

实验结果

科学家使用真空TPV装置测量了中温源的发电量,样品和热源之间的间隙约为2毫米。该器件包含三个端子,这些端子具有相互交叉的n和p区域。

分别具有n,p和金属触点。他们通过用可变负载电阻器短路pn结,在固定温度下测量了来自热源的感应电压。

随后,他们使用纳伏表测量了感应电压随负载电阻的变化。在双极型器件的性能过程中,工艺和器件参数起着不可或缺的作用。

器件的氧化物厚度和组成也影响了隧穿电阻和ε-接近零的色散场浓度。此外,注入条件和热退火周期极大地影响了金属栅极下的pn结特性。

Davids等。使用两个透射电子显微镜(TEM)的横截面图,在栅极金属下方拍摄的两个不同的器件(器件1和器件2)来确认所制造器件的特征。

红外光栅耦合MOS隧道二极管的SEM和TEM背面接触的单极光栅耦合隧道二极管。双极光栅耦合器件具有正面接触,因此隧道二极管堆叠中的氧化铝薄。

Davids等。使用能量色散X射线光谱(EDS)证实了设备的氧化铝组成。由于纵向声子,厚氧化铝层的影响将峰值功率密度转移到较低的源温度共振大约在200摄氏度时发生。

这项工作表明,栅氧化物纵向声子模式与器件设计参数之间的复杂相互作用决定了这种新型光电转换形式的输出功率。这使戴维斯等。

通过调节纵向声子共振来调节设备的工作温度。双极型器件远远超出了直接整流(交流到直流转换)的限制,这表明可以通过器件和工艺优化进一步改善光子辅助隧穿和电荷分离。

这样,保罗·戴维斯(Paul S. Davids)及其同事展示了中温辐射热源的有效转换,这是一种主要尚未开发的能量收集资源。他们在双极光栅耦合隧穿设备上建立了辐射热能到电能的转换。

作为一种可扩展的紧凑型能量收集技术。该设备可以用作独立的能量转换器,也可以与热电发电机结合使用。该方法依赖于双极光栅耦合器件中的n型阱和p型阱。

结果表明,来自350摄氏度热源的电功率密度为61 µW / cm 2,估计转换效率接近TPV 转换效率-但源温度明显较低。Davids等。将优化设备架构及其工艺,以提高发电效率。

文章来源:phys.org

技术干货

医用防护服分类及等级标准,3分钟轻松了解!

2020-3-10 14:48:25

技术干货

废弃食品与塑料变成散装原始石墨烯

2020-3-11 9:57:57