熱能是一種很有潛力的清潔能源。據(jù)美國能源部對初級能源消耗的估算，55％以上的能源最終以廢熱的形式被釋放到環(huán)境中。常見的廢熱源有工業(yè)余熱、汽車尾氣廢熱和城市固體垃圾焚燒所產生的廢熱等。然而，這些廢熱大多沒有被二次利用。華盛頓州立大學的研究人員開發(fā)了一種將汽車尾氣轉化為可再生能源的裝置，大大提升了熱能轉化效率。

一種新型的二極管可以將熱量轉換成電能，效率比硅晶產品高三倍，而且將來可以將熱量轉換成可儲存的電池電量。

隨著創(chuàng)新者尋求讓我們的社會更節(jié)能的方法，一種可再生資源被證明比其他資源更難“再生”：熱能。

所謂的“余熱”是汽車、家電、小型電子設備產生熱量。 將多余的熱量轉化為可用電力已經是科學家多年來的熱門話題，華盛頓州立大學的新研究可能代表著不斷增長的熱電領域的巨大飛躍。

華盛頓州立大學物理學家 Yi Gu 的團隊開發(fā)了一種比常規(guī)方法效率高出三倍的將熱量轉換成電能的設備。這個創(chuàng)新名為范德瓦爾斯肖特基二極管，依靠獨特的復合材料，將熱量轉換成強大的可存儲電流。

二極管是專門用于在單一方向上傳導電流的電子設備（類似于水中的水閥引導液體的流動）。 每個二極管在其頂端部極化，因此電流從其正端（或陽極）向其前端（陰極）“向前”流動。

通過設計，該偏振結構阻止電流從相反方向行進。 這就是為什么用“發(fā)光二極管”或LED制成的燈泡可以產生比普通白熾燈更多的光，這些白熾燈以較不有效的方式傳播能量。

僅次于 LED，電子世界中最著名的二極管是通過將半導體材料（如硅）與金屬（如鋁或銅）接合而形成的肖特基二極管。 這種二極管被稱為“熱載體”二極管，因為它可以類似于 LED 攜帶光的方式攜帶熱量。

肖特基二極管具有低電壓降。 這使得它對諸如太陽能電池等設備是有用的，這種設備需要低壓降二極管來防止能量損失。 其他常見應用包括射頻混頻器和電源整流器。

但傳統(tǒng)的肖特基二極管將熱轉換為電能有局限性：

WSU 的物理學家 Matthew McCluskey 說：“當你將金屬連接到半導體材料（如硅）以形成肖特基二極管時，總是會在界面形成一些缺陷。 “這些缺陷會陷入電子，阻礙電力流動”，這使得它們將熱量轉化為電力的效率不高。

WSU 的團隊開發(fā)了新的二極管，旨在改善肖特基模型。 研究人員通過減少對電力的阻礙，可以生產出將“大部分”熱量轉化為電能的二極管。

Yi Gu 及其同事開發(fā)的范德瓦爾斯肖特基二極管不使用金屬或硅；它們的二極管是由稱為銦硒（InSe）的結晶化合物的多個微觀層制成的“多成分”材料。

該團隊使用簡單的加熱過程來修改 InSe 的這些層，使一層的像金屬，另一層像半導體。

這意味著，范德華肖特基二極管不是將兩種材料（金屬和半導體）結合在一起以形成典型的肖特基二極管，而是使 InSe 表現(xiàn)為兩種材料的屬性。

在范德華肖特基二極管中，InSe 金屬和半導體材料連接在一起的界面處不發(fā)生雜質或缺陷。

沒有這些缺陷，電力可以以近 100％ 的效率流過 WSU 團隊的設備。

使用下圖所示的共焦顯微鏡測量范德華肖特基二極管的導電效率。 研究人員發(fā)現(xiàn)，他們的創(chuàng)新表現(xiàn)出“理想的二極管行為”（在正向電流流動方面）以及熱電功率的增加，總計比傳統(tǒng)的肖特基二極管高“三個數(shù)量級”。更高的數(shù)值代表了將熱量轉化為電力的能力，隨后可以使范德華模型成為大量“回收”余熱的標準載體。



然而，在此之前，科學必須使晶體 InSe 成為更容易獲取材料：目前，它仍然太復雜（并且昂貴）。 Gu 和同事說，他們正在探索合成大量材料的方法，以便將其開發(fā)成可以使用的設備。

如果成功，新的范德華氏肖特基二極管有可能提供另一種可再生能源。

”未來，這種設備可以附著在汽車尾氣，電腦主機和其他有達到室溫的地方?！?“然后，二極管將使用兩個表面之間的熱差來產生可以存儲在電池中并在需要時使用的電流。

2017-10-18  來源：鳳凰網科技36氪

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