新型热电纳米天线可收集太阳能 热电电压是偶极子纳米天线的三倍

  青衫忆笙       

1月15日消息,墨西哥科学家在《纳米光子学》杂志上展示了一种用于收集太阳能的新型热电纳米天线,其产生的热电电压比经典的偶极子纳米天线大三倍。


据介绍,该纳米天线是双金属的,使用镍和铂,并使用电子束光刻制作。科研人员在将它们的热电电压与经典的偶极子纳米天线进行比较时,纳米天线的效率是传统的1.3倍。此外,新型热电纳米天线的阵列也是收集余热能源的良好选择,可用于从废热收集能量、传感和太阳热能收集等许多领域。


新型热电纳米天线可收集太阳能 热电电压是偶极子纳米天线的三倍


2019年7月,阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)开发低成本热电纳米材料,可以回收机器和设备(包括手机和汽车发动机等)排放的大量热量,并将其直接转换为有用的电力,避免能源浪费。


这种纳米材料采用基于低温溶液的生产工艺制造,适用于柔性塑料涂层,几乎可在任何地方使用。材料科学家Derya Baran所在实验室的博士后研究员Mohamad Nugraha表示:“在众多可再生能源中,废热并没有得到充分重视。”现在,可以通过热电材料回收机器和设备释放的余热。该类物质具有一种特性,当材料一侧热,另一侧冷时,电荷会沿着温度梯度积聚。


长期以来,制造热电材料一直依靠昂贵的能源密集型工艺。Baran、Nugraha和同事开发的新型热电材料,由名为量子点的纳米材料液体溶液旋涂而成。研究小组先将一层薄薄的硫化铅量子点旋涂于表面,然后加入短连接配体溶液,将量子点交联在一起,增强材料的电子性能。经过一层一层重复旋涂,形成200纳米厚的薄膜,然后采用温和的热退火干燥薄膜,完成制作。Nugraha说:“热电研究的重点一直是在超过400摄氏度高温下加工的材料,而这种基于量子点的热电材料仅需加热到175摄氏度。加工温度较低,可以降低生产成本,并可广泛应用于热电设备表面,包括廉价的柔性塑料。


这些材料展现出良好的热电性能。塞贝克系数是衡量热电性能的重要参数之一,即温度梯度产生的电压。Nugraha说:“我们在材料中发现了提升塞贝克系数的若干关键因素。”研究小组还发现,当材料缩小到纳米尺度时,量子限制效应会改变材料的电子特性,这对于提高塞贝克系数非常重要。Nugraha说,这一发现是向实用的高性能、低温、溶液处理的热电发电机迈出的一步。


热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料,1823年发现的塞贝克效应和1834年发现的珀耳帖效应为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。随着空间探索兴趣的增加、医用物理学的进展以及在地球难于日益增加的资源考察与探索活动,需要开发一类能够自身供能且无需照看的电源系统,热电发电对这些应用尤其合适。


制造热电发电机或热电致冷器的材料称为热电材料,是一种能实现电能与热能交互转变的材料。其优点如下:


(1)体积小,重量轻,坚固,且工作中无噪音;(2)温度控制可在±0.1℃之内;(3)不必使用CFC(CFC氯氟碳类物质,氟里昂。被认为会破坏臭气层),不会造成任何环境污染;(4)可回收热源并转变成电能(节约能源),使用寿命长,易于控制。


虽然其优点众多,但利用热电材料制成的装置其效率(<10%)仍远比传统冰箱或发电机小。所以若能大幅度提升这些热电材料的效率,将对广泛用于露营的手提式致冷器,太空应用和半导体晶片冷却等产生相当重要的影响。家庭与工业上的冷却将因热电装置无运动的部件,是坚固的,安静的,可靠的,且避免使用会破坏臭气层的含氯氟碳氢化合物。热电材料需要有高导电性以避免电阻所引起电功率之损失,同时亦需具有低热传导系数以使冷热两端的温差不会因热传导而改变。


文章来源: 中国科学报

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