新型光整流天線收集能量效率提高百倍

在近日出版的《自然·通訊》雜誌上，介紹了一項能源研究的新進展：美國科羅拉多博爾德大學科學家利用電子神奇的“共振隧穿”效應，設計出一種能從環境中捕獲多餘熱量並將其轉化為可用電力的設備。

研究人員將這種新設備稱為“光整流天線”（optical rectennas），雖然非常小，但其效率大約是類似能量收集設備的100倍。達到如此高的效率，正是利用了“共振隧穿”效應——電子在不消耗任何能量的情況下穿過固體物質。這項成果使光整流天線朝着更加實用的方向邁出了重要一步。

整流天線開發於上世紀六七十年代，由吸收輻射的天線和將能量轉化為直流電流的二極管組成。為了捕獲熱輻射，整流管必須足夠小。然而設備越小，其電阻就越高，這會縮小功率輸出。因此，讓整流天線不僅具有非常低的電阻，還能捕獲光一直是此類設備研發面臨的挑戰。

此次，研究人員設計了迄今首個能夠發電的整流天線。該研究論文主要作者阿米娜·貝爾卡迪説：“我們首次證明了，在能量收集整流天線中電子發生了共振隧穿。”

貝爾卡迪解釋説，在傳統整流天線中，電子必須通過絕緣體才能發電。這些絕緣體給設備增加了很大電阻，減少了可輸出電量。

而在最新研究中，他們在設備上增加了兩個絕緣體，而不是一個。這產生一種叫作量子“阱”的效應。如果電子以恰到好處的能量擊中這個阱，就可以利用它穿過兩個絕緣體，且在這個過程中不會遇到任何阻力。“如果你選擇合適的材料，合適的厚度，就能使電子暢通無阻。”貝爾卡迪説，就像幽靈一般“穿牆而過”。

為了測試這種效應，研究人員在實驗室的熱板上排列了一個由25萬個整流天線組成的網絡，發現其捕獲的熱量尚不足1%。但貝爾卡迪認為這個數字還會繼續上升，“如果使用不同的材料或改變絕緣體，讓阱更深，就會有更多電子通過。”

光整流天線有望給可再生能源領域帶來變革，比如收集工廠煙囱或烘焙烤箱發出的熱量，一些科學家甚至設想將其安裝在地球上空的航天器上，捕獲從地球輻射到外太空的能量。研究合作者加雷特·莫德爾教授説：“如果你能捕獲輻射到外層空間的熱量，那麼你就能在任何時間、任何地點獲得電力。”