利用共振穿隧現象,提升光學整流天線能源轉換效率達100倍以上

 

刊登日期:2021/8/13
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美國科羅拉多大學的研究團隊利用量子穿隧效應(Quantum Tunneling Effect),發現了一項可顯著提升光學整流天線(Rectenna)的方法。整流天線係由整流器(Rectifier)與天線(Antenna)結合而成,是一項可將電磁波轉換為直流電的裝置,與利用光電壓效果的太陽電池是完全不同的原理。理論上,在光的波段動作的光學整流天線可從廢熱取得能量,這是因為熱源會放射出紅外線。不過轉換效率極低已為人所知。

以既有的整流天線而言,為了發電,電子必須通過絕緣體,但絕緣體的電阻大,促使發電量減少。而在此次的研究中,科羅拉多大學逆向思考,採用了使用2個絕緣體構造的「metal-double-insulator-metal (MI2M) diodes」,藉由量子井(Quantum Well)與材料的絕緣體的包夾,當電子提供能量之際,就能在沒有電阻的狀態下通過隧道,亦即共振穿隧(Resonant Tunneling)現象,而此次研究首度以光學整流天線進行了實證。

研究團隊利用鎳、氧化鎳、氧化鋁、鉻、金等製作了長度僅約11 nm、寬度6 nm的蝶型(Bow Tie)整流天線,並將25萬個以上的整流天線予以併排後進行了實驗,結果顯示,與既有光學整流天線相比,得到了100~1,000倍的轉換效率。

研究團隊表示,目前轉換效率僅有0.001%,離實用化目標仍很遙遠。但若能發掘可讓更多電子通過的材料的話,轉換效率將可望再提高1,000倍。若是在大量能量被做為廢熱的情況下,例如將光學整流天線應用於建築物壁面等環境發電用途的話,即使是1~2%的轉換效率,亦可望帶來極高的應用價值。

 

 


資料來源: https://engineer.fabcross.jp/archeive/210713_new-rectenna-device.html
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