光轉直流電：一根天線的奇思妙想

時間:2015-10-09 09:18來源:OFweek太陽能光伏網 作者:西顧
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        使用納米尺度組件，喬治亞理工學院的研究者們演示了第一個光學整流器，它是一個結合天線和整流二極管功能的裝置，能直接將光轉換為直流電。
 
　　基于多層碳納米管和在其上制造的微小整流器，光學整流天線可能提供一種用于能量采集的新技術，包括不需要冷卻就能運作的光電探測器、把余熱轉變為電力、以及高效地捕獲太陽能。
 
　　在該新設備中，碳納米管充當天線捕獲來自太陽或其他光源的光。當光波擊中納米管天線時，它們產生振蕩電荷流經相連的整流裝置，整流器以創紀錄的拍赫（PHz，1015Hz）頻率開關，產生出小股直流電流。
　　目前為止演示的器件效率在1%以下，但研究者們希望用數十億個整流天線的陣列來增加輸出，可能會產生可觀的電流。他們相信具有商業潛力的整流天線可能會在一年內可用。
 
　　“我們最終可能造出效率兩倍而成本低十倍的太陽能電池，對我來說這是一個以非常高大上的方式改變世界的機會。”佐治亞理工學院喬治·w·伍德拉夫機械工程學院副教授BaratundeCola說。“如果我們能達到1%的效率，這些整流天線作為魯棒的高溫探測器可以成為完全顛覆性的技術。如果我們能夠獲得更高的效率，我們可以把它應用到能源轉換技術和太陽能捕獲上。”
 
　　“整流天線基本上就是一個天線和整流二極管配對，但是當你踏入光學頻譜，這通常意味著納米尺度天線和金屬-絕緣體-金屬二極管相耦合，”Cola解釋道，“你的天線越接近二極管，效率就越高。因此理想的結構將天線作為二極管中的金屬極之一——這就是我們所制造的結構。”
 
　　Cola的小組所制造的該整流天線培養在剛性基底上，但目標是在能生產出柔性太陽能電池或光電探測器的箔或其它材料上生長它們。
 
　　Cola把至今為止建造出的整流天線視為簡單的原理證明，“我們認為，我們可以僅僅通過改進設備結構的制造工藝，就能把阻抗降低幾個數量級。根據其他人的工作，以及理論向我們所展示的，我相信這些設備可能達到超過40%的效率。”
 
　　該研究受到美國國防高級研究計劃局（DARPA）、空間與海戰（SPAWAR）系統中心和陸軍研究辦公室（ARO）支持，九月二十八日發表在《自然納米技術》期刊上。
 
　　整流天線在六七十年代研發，已經運作在短至十微米的波長上，但40多年來研究者們一直試圖制造可見光波段上的設備，這里有許多挑戰：使天線足夠小能耦合光學波長，并制造一個匹配的整流二極管，使之足夠小、操作足夠快以捕獲電磁波振蕩。但高效率和低成本的潛力讓科學家們在此技術上前仆后繼。
 
　　整流天線的制造始于在導電基底上生長垂直排列的碳納米管森林。利用化學氣相沉積的原子層，碳納米管覆以鋁氧化物材料來絕緣，最后，用物理氣相沉積來沉積光學透明的鈣薄膜，然后在碳納米管森林頂部沉積金屬鋁。碳納米管和鈣之間的功函數差異提供約2電子伏特的電勢，足以驅動電子在受光激發時流出碳納米管天線。
 
　　在運作中，光振蕩波通過透明的鈣鋁電極并與碳納米管相作用。碳納米管尖端的金屬-絕緣體-金屬接合處充當以飛秒間隔開關的整流器，使天線產生的電子單向流入頂部電極。低至幾個阿法（10-18法拉）的超低電容讓這些10納米直徑的二極管能在這種超常的頻率運作。
 
　　使用納米尺度組件，喬治亞理工學院的研究者們演示了第一個光學整流器，它是一個結合天線和整流二極管功能的裝置，能直接將光轉換為直流電。
 
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