不起眼的碳纳米管用来制造太阳能电池板（以及其他任何通过热损失能量的设备）效率要高得多。莱斯大学科学家们正在设计排列整齐的单壁碳纳米管阵列来引导中红外辐射(热量)，从而大大提高太阳能系统的效率。来自莱斯布朗工程学院的Gururaj Naik和Junichiro Kono介绍了他们在ACS光子学方面的技术。发明是一种双曲热发射器，可以吸收原本会被排放到大气中的高热。
将其压缩到一个狭窄的带宽中，并以光的形式发射出来，然后将其转化为电能。这一发现基于在此前的另一项发现，当时他们发现了一种简单的方法，可以制作高度排列、由紧密排列纳米管构成的晶片级薄膜，然后看看这些胶片是否可以用来指导“热光子”。热光子就是从热体中发出的光子，如果用红外摄像机观察热的东西，会看到它发光，摄像机能捕捉这些热激发光子。红外辐射是阳光的一个组成部分，它向地球传递热量，但它只是电磁光谱的一小部分。
任何热表面都会以热辐射的形式发出光，问题是，热辐射是宽带的，而光到电的转换只有在一个窄带内才有效，挑战在于将宽带光子压缩到窄带中。纳米管薄膜提供了一个隔离中红外光子的机会，否则这些光子将被浪费掉，这就是研究的动机。克洛伊·多铁(Chloe Doiron)是莱斯大学的研究生，也是该研究报告的共同第一作者说：这相当于德克萨斯州三年的电力供应，浪费了很多能量。目前将热能转化为电能的最有效方法是使用涡轮机，以及蒸汽或其他一些液体来驱动。
将近50%的转换效率，没有什么能让我们接近这个目标，但是这些系统并不容易实现。研究目标是用一个没有运动部件的小型系统来简化这项任务。排列整齐的纳米管薄膜是吸收余热并将其转化为窄带宽光子的管道。由于纳米管中的电子只能在一个方向上运动，在这个方向上排列的薄膜是金属，而在垂直方向上绝缘，这种效应被称为双曲色散。热光子可以从任何方向撞击薄膜，但只能从一个方向离开。
不是直接从热能转化为电能，而是从热能转化为电能，似乎两个阶段比三个阶段更有效率，但在这里，情况并非如此。在标准太阳能电池中添加这种排放物，可以使其效率从目前约22%的峰值提高。通过把所有浪费的热能压缩到一个小光谱区域，可以非常有效地把它转化为电能，理论上以获得80%的效率。纳米管薄膜适合这项任务，因为它们可以承受高达1700摄氏度(3092华氏度)的高温。
研究团队制造了概念验证设备，使他们能够在高达700摄氏度(1292华氏度)的温度下工作，并确认窄带输出。为了制造它们，研究小组将亚微米尺度的空腔排列成芯片大小的薄膜。有一系列这样的谐振器，每一个谐振器都在这个狭窄的光谱窗口中发射热光子。其目标是用光伏电池收集太阳能，并将其转化为能源，并证明研究可以高效率地做到这一点。
博科园｜研究/来自：莱斯大学
参考期刊《ACS Photonics》
DOI: 10.1021/acsphotonics.9b00452
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