导读：1824年，年轻的法国工程师萨迪·卡诺发表了一篇著名论文，该论文对热量如何高效转化为功进行了解释。卡诺在为热力学的现代理解奠定基础的同时，还暗示了能量回收和收集的方式，而这可能是21世纪应对气候变化的重要途径。卡诺（Carnot）循环表明，在任何能量转换过程中，总有一些热量会被排到低温热源（通常是周围环境）中。仅在美国，消耗能量的61％就以这种方式变成了“浪费”的热量（废热）。然而，这种废热的损失并非不可避免——原则上，可以通过驱动另一个能量转换设备发电来将其回收。最近的一篇研究报道了如何将中温热辐射有效转化为电能。
热光电器件的机遇与挑战
回收运输、发电和工业过程中排出的热量，推动了当前固态材料和器件领域的广泛研究。废热很大一部分以辐射的形式损失，以长波和中红外（IR）波长的不相干的宽带电磁波发射。将这种热辐射转换为电能是该研究领域中一个令人兴奋但又充满挑战的方向。
热光伏器件显示出了通过光伏机制将散发的热辐射转换成电能的巨大希望。通过利用光子学方法和近场效应，热光电领域已经取得了实质性进展。但是，这些系统通常集中在高温热源（> 1000 oC）上，但是在美国，超过95％的热量浪费（以及85％的潜在相关工作）是低于400 oC的。
较长波长热辐射的直接转换具有许多挑战，例如入射光子通量较低和有效的低带隙半导体十分有限。一种替代方法是使用整流天线，整流天线在较低能量的微波频率下具有广泛的应用。在这些设备中，入射的振荡电磁波被天线状结构吸收，并驱动直流电通过快速二极管。在较高的频率下，金属-绝缘体-金属配置的超快直接隧道二极管显示出巨大潜力，但是在与IR热辐射相关的低电压下，隧道二极管所需的高度不对称性仍然难以实现。
成果简介
近日，美国桑迪亚国家实验室Robert Jareck和Andrew Starbuck等人使用双极光栅耦合互补金属-氧化物-硅（CMOS）隧道二极管直接将热辐射转换为电能，对于温度为250 oC-400 oC的热源，转换后的功率密度达到27-61 µW/cm2。
图1. 热光电器件示意图。
巧妙设计双极二极管，解决问题！
Davids等设计了一种双极金属-氧化物半导体隧道结二极管，该二极管可将电磁波谱（7-14 µm）的长波IR部分中的入射光子转换为电能。入射电磁波通过光栅耦合到电磁模式，该电磁模式可将光强烈地限制在金属光栅和掺杂硅基层之间的3-4 nm的二氧化硅阻挡层中。强的电磁场驱动电子从掺杂的p型硅进入金属并到达n型硅的光子辅助隧穿。尽管由于使用pn结而使整个过程与光伏系统具有表面上的相似之处，但电流是由两个金属氧化物半导体二极管之间的光子辅助隧穿而不是耗尽区产生的。
隧穿效率大幅提高
通过集中光或增强光-物质相互作用的光子方法，可以更有效地将来自低温热源（或高温热源，例如太阳）的热辐射转换为电能。这些方法对于提高热光伏器件的性能至关重要。同样，作者巧妙地利用了光子设计和材料特性来增强光子辅助隧穿效应。作者利用了8 µm范围内的二氧化硅的声子共振，该声子共振能与200 oC-400oC范围内的热源的黑体光谱很好地重叠。在这种特定的共振产生的波长范围内，二氧化硅具有接近零的介电常数，并使漏斗式入射的热辐射的隧穿效率提高。
图2. 双极热光伏器件的多周期原理图。
数量级的性能提升
作者证明了350 oC辐射源的峰值功率密度为61 µW/cm2。因为获得的功率对应的能量转换效率大大低于卡诺极限，所以看起来并不高。但是，这些数据比以前的单极金属氧化物半导体隧道结二极管要高几个数量级。
图3. 双极器件发电示意图。
why?
多个相互交叉的双极结产生了周期性的阱结构，在其中存储电荷，可以将电荷从p+泵送至金属，从金属泵送至n+，从而实现了性能上的飞跃。此过程产生的开路电压实质上高于隧道两端的IR辐射感应的实际电压，并克服了在小电压下实现高不对称性的挑战。
展望未来
1）大量的入射热辐射在远离二氧化硅声子共振的波长处不耦合。因此，可以结合光子微结构并利用不同材料的固有色散来使光子浓度更宽。这样，才能利用更多的入射热辐射。
2）仍然有大量的低于250 oC，一直到环境(0-50 oC)温度的热量被浪费。低温辐射热转化为电能是能源效率的一个有趣的前沿。但最终必须能够在一个较低的成本点提供有意义的性能。
3）根据卡诺的热力学定律，我们转换能量的能力具有根本的限制性。尽管如此，在最大范围内更好地控制和利用热能仍然具有相当大的进步空间。
参考文献：
1. Paul S. Davids et al. Electrical power generation frommoderate-temperature radiative thermal sources. Science, 2020, 367, 1341–1345.
DOI: 10.1126/science.aba2089
https://science.sciencemag.org/content/367/6484/1341
2. Aaswath P. Raman. Thermal light tunnels its way into electricity.Science, 2020, 367, 1301-1302.
DOI: 10.1126/science.aba8976
http://science.sciencemag.org/content/367/6484/1301
