新的光学天线从热量中获取的电能是原来的100倍

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Image: Moddel Lab

This scanning electron microscope image shows the distinct bow tie shape of an optical rectenna.

在实现实用价值之前，尽管还需要做大量的工作，但一项新的研究发现，世界上最高效的光学矩形天线从余热中获取的能量达到了以前设备的100多倍。

Rectennas是“整流天线”的缩写——接收电磁波就像汽车天线一样。当整流天线接收到信号时，它会产生振荡电荷，通过连接的整流二极管。然后这些整流器将这些波动转化为直流电。

理论上，矩形天线可以从通常会被浪费的热量中获取能量。这项研究的主要作者、科罗拉多大学博尔德分校的电气工程师Amina Belkadi说：“如果这些技术能够帮助应对气候变化，那就太好了。你可以想象把它们加到太阳能电池里，这样你就能从中获得更多的能量。”

此次，研究人员设计了迄今首个能够发电的整流天线。Amina Belkadi表示：“我们首次证明了，在能量收集整流天线中电子发生了共振隧穿。”

现在，Belkadi和她的同事们发现了一种方法，利用一种量子效应，大大提高了光学矩形天线的效率，这种量子效应大致相当于电子穿墙而过。他们在5月18日的《自然通讯（Nature Communications）》杂志上详细介绍了他们的研究结果。

在传统整流天线中，电子必须通过绝缘体才能发电。这些绝缘体给设备增加了很大电阻，减少了可输出电量。而在最新研究中，他们在设备上增加了两个绝缘体，而不是一个。这产生一种叫作量子“阱”的效应。如果电子以恰到好处的能量击中这个阱，就可以利用它穿过两个绝缘体，且在这个过程中不会遇到任何阻力。“如果你选择合适的材料，合适的厚度，就能使电子畅通无阻。” Belkadi说，就像幽灵一般“穿墙而过”。

科学家们测试了25万多个蝴蝶结形状的矩形天线阵列，这些天线由镍、氧化镍、氧化铝、铬和金组成，每个只有11纳米长、6纳米宽。他们发现他们的设备显示出比以前的光学矩形天线高100到1000倍的转换效率。

不过，这些新型矩形天线的转换效率仍然很小，仅为0.001%。“这说明我们还有很长的路要走，”Belkadi说。

“进一步提高光学整流效率的一个潜在方法是用不同的材料进行实验，让更多的电子通过。也许我们可以把转换效率再提高1000倍在1%到2%的转换效率下，考虑到废热损失的巨大能量，如果使用不同的材料或改变绝缘体，让阱更深，就会有更多电子通过，” Belkadi表示。

光整流天线有望给可再生能源领域带来变革，比如收集工厂烟囱或烘焙烤箱发出的热量，一些科学家甚至设想将其安装在地球上空的航天器上，捕获从地球辐射到外太空的能量。