排列整齐的单壁碳纳米管阵列可以引导被浪费的热量，并大幅提高太阳能系统的效率，研究人员报告称。
这项新发明是一种双曲热发射器，能够吸收原本会散入大气中的强烈热量，将其压缩到窄带宽内，并以光的形式发射，从而转化为电能。
这一发现基于另一项成果，该成果由莱斯大学布朗工程学院的小野纯一郎（Junichiro Kono）团队于2016年取得，当时他们发现了一种简便方法，可制造高度取向、晶圆级尺寸的紧密排列纳米管薄膜。
废热
与电气与计算机工程助理教授古鲁拉杰·奈克（Gururaj Naik）的讨论促使这两位研究人员探究，这些薄膜能否用于引导“热光子”。
“热光子只是从高温物体发出的光子，”Kono说。“如果你用红外相机观察某个热物体，会看到它发光。相机捕捉到的正是这些热激发光子。”
工业能源消耗中约有20%是废热。仅得克萨斯州一地，这些废热就相当于约三年的用电量。
红外辐射是阳光的组成部分，它将热量传递到地球，但它只占电磁波谱的一小部分。
“任何热表面都会以热辐射的形式发光，”Naik说。“问题在于，热辐射是宽带的，而光转化为电能只有在发射光处于窄带内时才高效。挑战在于如何将宽带光子压缩到窄带内。”
纳米管薄膜为分离原本会被浪费的中红外光子提供了契机。“这就是我们的动机，”Naik说。“由共同第一作者兼研究生Chloe Doiron进行的一项研究发现，工业能源消耗中约有20%是废热。仅得克萨斯州一地，这些废热就相当于约三年的用电量。这是大量能源的浪费。”
碳纳米管可以利用热量
“目前将热量转化为电能最有效的方式是使用涡轮机，并借助蒸汽或其他液体来驱动它们，”他说。“它们的转换效率可接近50%。没有其他技术能与之媲美，但这些系统不易实施。”Naik及其同事旨在通过一种没有活动部件的紧凑系统简化这一任务。
取向纳米管薄膜是导体，可吸收废热并将其转化为窄带宽光子。由于纳米管中的电子只能沿一个方向运动，取向薄膜在该方向上呈金属性，而在垂直方向上呈绝缘性，Naik将这一效应称为双曲色散。热光子可以从任何方向射入薄膜，但只能从一个方向射出。
“我们不再直接将热量转化为电能，而是将热量转化为光，再转化为电能，”Naik说。“看似两级转换应比三级更高效，但在此处并非如此。”
Naik表示，在标准太阳能电池中加入发射器，可将其效率从目前约22%的峰值提升。“通过将所有被浪费的热能压缩到一个小的光谱区域，我们可以非常高效地将其转化为电能，”他说。“理论预测是，我们可以达到80%的效率。”
纳米管薄膜适合这一任务，因为它能耐受高达1,700摄氏度（3,092华氏度）的高温。Naik团队制造了概念验证器件，使其能够在最高700摄氏度（1,292华氏度）下运行，并确认了其窄带输出。为制造这些器件，团队在芯片大小的薄膜上刻划出亚微米级腔体阵列。
“这是一个由此类谐振器组成的阵列，每一个都只在这一狭窄的光谱窗口内发射热光子，”Naik说。“我们计划利用光伏电池收集这些光子并将其转化为能量，并证明我们能够以高效率做到这一点。”
关于该技术的一篇论文发表于《ACS Photonics》。美国能源部基础能源科学计划、美国国家科学基金会以及罗伯特·A·韦尔奇基金会为该研究提供了支持。
