DOE开发微型设备将废热转换为直流电源

研究人员开发了一种小型硅基器件，可将电子器件散发的废热转化为电源。将从电子设备消散的热量转换为可用功率是能量收集设计师的一种圣杯。毕竟，这将使这些设备 - 甚至是电动汽车 - 成为他们自己的动力源。现在，能源部(DOE)桑迪亚国家实验室的研究人员似乎更接近于实现这一目标，开发了一种可以将所谓的废热转化为直流电的微型硅基器件。

该装置 - 小于1/8英寸×1/8英寸的小拇指指甲 - 包括普通和丰富的材料，例如铝，硅和二氧化硅或玻璃。在Sandia新闻发布会上，实验室的物理学家兼该研究的首席研究员Paul Davids指出，它们以非常罕见的方式结合在一起。

该设备功能的关键是顶部，它由铝制成，并且蚀刻有条纹，比人类头发的宽度小约20倍。戴维斯说，它们可以作为捕捉红外辐射的天线。最终，这种装置可用于将类似汽车的东西 - 其发动机发出大量热量 - 变成自持能源。

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“汽车发动机产生大量热量，热量只是浪费，对吗?”戴维斯说。“想象一下，如果你能将发动机的热量转换成混合动力汽车的电力。这是朝这个方向迈出的第一步，但还需要做更多的工作。“研究人员在物理评论应用杂志上发表了一篇关于他们工作的论文。

设备为红外“整流天线”，简称“整流天线”。该设备为固态 - 没有可能卡住，弯曲或折断的活动部件。它也不会直接接触热源，这可能会导致热应力。

在整个天线的铝顶部和硅底部之间是一层非常薄的二氧化硅层，厚度约为20个硅原子，比人类头发薄16,000倍。戴维斯说，这种铝制天线 - 在其上刻有图案 - 利用它捕获的红外辐射并将其引入这个薄层。

一旦被捕获在二氧化硅中，辐射产生非常快的电振荡 - 大约每秒50万亿次，其以不对称的方式在铝和硅之间来回推动电子。他说，这个过程称为整流，它是产生净直流电流的原因。

“在短期内，我们正在寻求制造紧凑型红外线电源，或许可以取代放射性同位素热电发电机，”戴维斯在桑迪亚的发布中解释道。这些发电机被称为RTG，用于为太空任务提供动力传感器，这些任务没有足够的直射阳光来为太阳能电池板供电。

研究人员在桑迪亚微系统工程，科学和应用综合体中制造了这些设备。该团队已经获得了红外整流天线的专利，并已为其相关技术申请了多项专利。

未来的可能性

尽管该设备的开发并非没有挑战，但研究人员表示，制造整流天线的过程是可扩展的，因为它使用了通用材料和集成电路行业已经使用的相同工艺。美国能源部的研究人员计划继续改进设备，包括改变整流天线的3D顶层图案而不是1D条纹，以便吸收所有极化的红外光。

他们的目标是将整流层重新设计为全波整流器，而不是当前的半波整流器。通过在较薄的硅晶片上制作红外整流天线，它们还可以最小化由于电阻引起的功率损耗。

凭借改进的设计和更高的转换效率，研究人员相信设备的每单位面积的功率输出将会增加。这意味着，在五年内，红外整流天线可能是紧凑型电源RTG的良好替代品，Davids说。

“我们一直在努力解决这个问题，现在我们已经开始达到能够实现功率转换相对较大增长的程度。我认为有一条前进的道路可以替代热电，“他说。“达到这一点感觉很好。如果我们能够扩大规模并改变世界，那就太棒了。“