新的固态硅设备可能有一天会为太空任务提供动力

直接将电能转化为热能很容易。它经常发生在你的烤面包机里，也就是说，如果你经常做吐司。相反，把热能转换成电能，并不容易。

来自桑迪亚国家实验室的研究人员已经开发出一种小型硅基设备，它可以利用以前被称为“余热”的物质，并将其转化为直流电源。他们的进展最近发表在《物理评论》上。

“我们已经开发出一种从废热中回收能量的新方法。汽车引擎产生大量的热量而热量只是浪费，对吗?想象一下，如果你能把发动机的热量转换成混合动力汽车的电能。这是朝着这个方向迈出的第一步，但还需要做更多的工作。

“在短期内，我们希望制造一种紧凑的红外电源，或许可以取代放射性同位素热电发电机。”这种发电机被称为RTGs，用于为空间任务中的传感器供电，这些传感器无法获得足够的直射阳光来为太阳能电池板供电。

大卫的设备是由普通和丰富的材料制成的，例如铝、硅和二氧化硅(或玻璃)以非常不寻常的方式组合在一起。

硅器件捕获、通道并将热能转化为电能。

这个设备比小指小，大约1/8英寸长1/8英寸，厚度只有一角硬币和金属光泽。顶部是铝，上面的条纹大约是人类头发宽度的20倍。这个图案虽然太小了，肉眼看不到，但它是用来接收红外辐射的天线。

在铝的顶部和硅的底部之间有一层非常薄的二氧化硅。这一层大约有20个硅原子厚，比人类头发薄1.6万倍。该图案和蚀刻的铝天线将红外辐射传输到这个薄层。

被困在二氧化硅中的红外辐射会产生非常快的电振荡，大约每秒50万亿次。它以不对称的方式推动电子在铝和硅之间来回运动。这个过程叫做整流，产生净直流电流。

这个团队把它的设备称为一个红外的rectenna，一个整流天线的合成器。它是一种固态设备，没有运动部件堵塞、弯曲或断裂，也不需要直接接触热源，这可能导致热应力。

红外rectenna的生产使用了通用的、可伸缩的过程

该论文的第一作者、电气工程师乔舒亚·申克(Joshua Shank)说，由于该团队用集成电路行业使用的相同工艺制造出了红外直肠线，因此它的可扩展性很好。

他补充说，“我们有意将重点放在可伸缩的常用材料和过程上。从理论上讲，任何商业集成电路制造设备都可以制造这些rectennas。

这并不是说创建当前设备很容易。负责工艺开发的制造工程师罗布·贾勒基(Rob Jarecki)说:“在发动机罩的下面有巨大的复杂性，设备需要各种各样的加工技术来制造它们。”

Jarecki说，最大的制造挑战之一是在硅中加入少量其他元素，或者掺杂这些元素，使其像金属一样反射红外线。“通常情况下，你不会把硅滴死，也不会试图把它变成金属，因为你用金属来制造硅。”在这种情况下，我们需要在不破坏材料的情况下尽可能多地掺杂它。

这些设备是在Sandia的微系统工程、科学和应用综合体中制造的。该团队已经获得了红外rectenna的专利，并已申请了其他多项专利。

该研究小组在《物理评论应用》(Physical Review Applied)杂志上报道的红外雷氏体的版本，每平方厘米产生8纳米功率，使用的是一盏专业的热灯，温度为840度。就环境而言，一个典型的太阳能计算器使用大约5微瓦，所以他们需要一张比标准纸张稍大一点的红外图像来给计算器供电。因此，该团队有许多未来改进的想法，使红外线rectenna更有效。

未来的工作是提高红外侦察效率。

这些想法包括制作rectenna的顶部图案2D x而不是一维条纹，以吸收所有偏振的红外光;将整流层重新设计为全波整流，而不是目前的半波整流;在更薄的硅片上制作红外直纹，以减少由于电阻造成的功率损失。

通过改进设计和提高转换效率，单位面积的输出功率将会增加。戴维斯认为，在五年内，红外雷氏管可能是一个很好的替代RTGs紧凑型电源。

Shank说:“我们需要继续改进，以与RTGs相媲美，但是rectennas对于任何需要长期可靠工作的应用都是有用的，在这些应用中，你不能只需要更换电池就可以了。”然而，我们不会成为太阳能电池板的替代能源，至少在近期内不会。

戴维斯补充说:“我们一直在努力解决这个问题，现在我们开始看到电力转换取得了相对较大的进展，我认为有一条路可以替代热电。”到达这一点感觉很好。如果我们能扩大规模，改变世界，那就太好了。