科學家研究出可將熱能轉為光能的材料，有望提高太陽能電池效率

阿挺哥哥

美國萊斯大學（Rice University）科學家發明一種新的材料，有望將太陽能電池目前約 22％ 效率的極限再提高。研究團隊設計出對齊的單壁奈米碳管（single-wall carbon nanotubes, SWCNT）陣列來導引中波長紅外線（mid-infrared radiation），也就是熱輻射對應的電磁波。該校布朗工程學院（Brown School of Engineering）的古拉吉·奈克教授（Gururaj Naik）和河野俊一郎教授（Junichiro Kono）將研究結果發表於《ACS Photonics》期刊。
電磁波譜

該研究發明出一種雙曲線熱發射器（hyperbolic thermal emitter），可以吸收原本將被噴射到大氣中的熱量，將其擠壓成較短波長並轉為可以發電的光放出。此一發現仰賴於 2016 年河野教授團隊的另一項發現，當時他們發現了一種簡單的方法將緊密堆積的奈米碳管製造成高度對齊的晶圓級薄膜。兩位教授討論這種薄膜是否有辦法導引熱光子（Thermal photon）。

河野教授表示：「熱光子只是從熱的物體發出的光子，如果你用紅外線相機觀察熱的東西，你會看到它發光。」紅外線是太陽光的一部分，它為地球提供熱量，但它只是電磁波光譜的一小部分。

奈克教授表示：「任何熱表面都會放出熱輻射，問題是熱輻射的波長較大且範圍廣，而只有當輻射的電磁波波長對應到太陽能電池能轉換的範圍，光到電的轉換才是有效的。挑戰在於將長波長光子擠進一個狹窄的波段。我們的目標是使用太陽能電池收集熱光子，將其轉換為能量，並證明我們可以高效率地完成。」
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廢熱回收

奈米碳管薄膜提供隔離中波長紅外線光子的機會，否則這些光子會變成廢熱。研究團隊中的碩士研究生克柔依·杜隆（Chloe Doiron）的一項研究發現，工業能源消耗中約有 20％ 成了廢熱。

奈克教授表示：「現在將熱量轉化為電能的最有效方法是使用蒸汽或其他流體來驅動渦輪機，可以達到近 50％ 的轉換效率，但這種系統不易裝設。」

團隊想用一個沒有移動部件的緊湊系統來完成能量轉換。奈米碳管薄膜可以承受高達攝氏 1700 度的溫度，很適合這項任務，研究團隊構建了概念驗證設備，使其能在攝氏 700 度下運行。

對齊的奈米碳管薄膜如同吸收廢熱並將其轉變為窄帶光子的通道。因為奈米碳管納米管中的電子只能在一個方向上行進，所以薄膜在該方向上如金屬般可傳熱，而在垂直方向上是絕緣的，這種效應被研究者稱為雙曲色散（hyperbolic dispersion）。熱光子可以從任何方向撞擊薄膜，但只能通過一個方向離開。

奈克教授表示：「我們不是直接將熱轉為電力，而是從熱到光，再到電力。兩個階段看似應比三個階段效率更高，但在這件事上並非如此。通過將所有廢熱壓縮到一個小的光譜區間，我們可以非常有效地將其轉化為電能，理論預測我們可以獲得 80％ 的效率。」
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參考資料：

    Gao, W., Doiron, C. F., Li, X., Kono, J., & Naik, G. V. (2019). Macroscopically Aligned Carbon Nanotubes as a Refractory Platform for Hyperbolic Thermal Emitters. ACS Photonics,6(7), 1602-1609. doi:10.1021/acsphotonics.9b00452
    WILLIAMS, M. (2019, July 12). Rice device channels heat into light. Retrieved August 3, 2019.
    He, X., Gao, W., Xie, L., Li, B., Zhang, Q., Lei, S., . . . Kono, J. (2016). Wafer-scale monodomain films of spontaneously aligned single-walled carbon nanotubes. Nature Nanotechnology,11(7), 633-638. doi:10.1038/nnano.2016.44




資訊:明日科學

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