關(guān)于紅外線發(fā)電的進(jìn)一步研究

呼和滿都拉 冀文慧 楊洪濤 胡曉穎

(集寧師范學(xué)院,內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000)

關(guān)于紅外線發(fā)電的進(jìn)一步研究

呼和滿都拉 冀文慧 楊洪濤 胡曉穎

(集寧師范學(xué)院,內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000)

本文對(duì)紅外線發(fā)電進(jìn)行更深一步的探索，選用銀氧銫[1]作為陰極，對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和改進(jìn)。本文將著重對(duì)銀氧銫的特性進(jìn)行分析，明確其制備方法，解決探索過(guò)程中的可能出現(xiàn)的問(wèn)題，分析探究過(guò)程中可能出現(xiàn)的誤差，對(duì)模型的效益進(jìn)行分析。

紅外線 發(fā)電 銀氧銫

1 模型設(shè)計(jì)方案

1.1 工作原理及設(shè)計(jì)思路

對(duì)于本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ停饕鶕?jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)理論設(shè)計(jì)，并在兩年前學(xué)年論文的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。本套試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕兴拇蟛糠纸M成，分別為紅外線發(fā)射裝置、紅外線接收及轉(zhuǎn)化裝置、電流檢測(cè)裝置、電能的儲(chǔ)存裝置。圖1為設(shè)計(jì)模型示意，中間實(shí)心球體為紅外線的發(fā)射裝置，外周的大球?yàn)榧t外線接收及轉(zhuǎn)化裝置，外部用導(dǎo)線連接，導(dǎo)線上發(fā)光二極管為電流檢測(cè)裝置，電容器為電能的儲(chǔ)存和發(fā)射裝置。

圖1 紅外線發(fā)電裝置模型

1.2 材料分析

1.2.1 材料的選取

目前光伏電池采用的材料大多為硅材料，其有著效率高成本低的因素，但其吸收光譜的頻率是有限的，只能局限于一些可見(jiàn)光，這樣就標(biāo)志著其只能在白天進(jìn)行正常工作。還有一種新型材料為銻銫，其吸收光譜的敏感光為紫外線，若光伏電池陰極采用這種材料吸收的多為紫外線，其限制條件也為自然光，也就是陽(yáng)光。本文采用的光伏電池陰極材料為銀氧銫，其敏感光為紅外線，紅外線其最主要的特征為熱效應(yīng)，無(wú)論在白天還是黑夜，只要物體存在溫度就會(huì)釋放一定量的紅外線，銀氧銫這種陰極金屬化合物就是將這一部分的紅外線進(jìn)行收集與轉(zhuǎn)化，并且釋放出電能。根據(jù)查閱其他著作，可以了解銀氧銫的感應(yīng)特性，并以此來(lái)計(jì)算出其光能轉(zhuǎn)化率。

圖2 銀氧銫陰極的典型響應(yīng)曲線[2]

1.2.2 銀氧銫光電陰極的研究以及制備方法

對(duì)于銀氧銫陰極的研究，完全可以借鑒超高速光電管中反射式銀氧銫光電陰極的研究。光電陰極是超高速光電管中的重要組成部分，其主要作用就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，也就是起到了光電轉(zhuǎn)化的作用。超高速光電管中的關(guān)鍵也就是本設(shè)備的關(guān)鍵，即材料和工藝。參照其工藝就可以免去重新制作的過(guò)程，節(jié)省了資金以及時(shí)間。

銀氧銫的光譜響應(yīng)范圍為300—1100nm，靈敏度20μA/Lm。縱觀目前的光電材料來(lái)說(shuō)，銀氧銫（Ag-O-Cs）光電陰極最為獨(dú)特。目前為止，銀氧銫陰極是紅外線區(qū)具有響應(yīng)的實(shí)用型真空光電材料。

D.G.Fisher、Sayama等人已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)銀氧銫進(jìn)行了一些化學(xué)分析，在氧化完全的氧化銀基座上制備銀氧銫表明，銀和銫比率為1：1，銫和氧含量比率為2：1，這就說(shuō)明了銀氧銫陰極制備就符合表達(dá)式Ag2O+2Cs→2Ag+Cs2O。但是按照目前技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，銫的化學(xué)分析精度還不夠準(zhǔn)確，是否存在未氧化的銫或者存在銫的其他氧化物，另一個(gè)問(wèn)題就是銀是否一定以單個(gè)粒子的形式存在，等一系列問(wèn)題，那么這種粒子大小是否具有臨界的重要性就是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。盡管人類(lèi)對(duì)銀氧銫這種材料已經(jīng)研究了幾十年，但是其精確的結(jié)構(gòu)還是不能確定，因此，所有的討論大多都是定性的。

長(zhǎng)波響應(yīng)主要是由于陰極中的銀粒子的體積效應(yīng)引起的，由于反射的作用，入射光中只有一小部分能被吸收，所以體積形式的銀的量子產(chǎn)量（電子/入射光子）是較低的。薄銀膜具有相比低的反射和高的吸收，對(duì)于入射光銀氧銫陰極膜的吸收可以高達(dá)50%。光的吸收的增加就使銀氧銫陰極的量子產(chǎn)額比體積銀高出很多倍。

但是，一個(gè)問(wèn)題應(yīng)當(dāng)引起注意，銀氧銫陰極與堿銻化物陰極相比，其量子產(chǎn)額任然很低，其原因?yàn)榧ぐl(fā)光是以帶間躍遷而非帶內(nèi)躍遷的方式吸收，故光子更可能被激發(fā)到真空能級(jí)。另外，銀氧銫陰極中的Ag對(duì)350nm以上波長(zhǎng)的吸收，有一部分為帶內(nèi)躍遷，因此他降低了電子的逃逸幾率，導(dǎo)致其量子產(chǎn)額的降低。

銀氧銫陰極的相應(yīng)曲線是非常具有特征的，在可見(jiàn)光譜內(nèi)，550nm附近有一個(gè)下沉，在紫外線區(qū)350nm處出現(xiàn)一個(gè)極大值，320nm處出現(xiàn)一個(gè)尖的極小值。

1.3 運(yùn)行分析[4]

介于以上對(duì)于銀氧銫陰極特性的研究，可知在紅外線區(qū)出現(xiàn)的峰值為800nm，為了能夠最大限度的達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果，可以選擇發(fā)射波長(zhǎng)為800nm的紅外線發(fā)光二極管作為光源，這是光電轉(zhuǎn)換的核心元件。當(dāng)實(shí)驗(yàn)成功后可以用自然界中的紅外線作為光源來(lái)替代人造光源。

紅外線發(fā)光二極管可以特別制造，通過(guò)改變電流去改變紅外線的強(qiáng)度。電子從較低能級(jí)躍遷到較高能級(jí)，需吸收能量；反之，電子從較高能級(jí)躍遷到較低能級(jí)，會(huì)釋放能量。躍遷時(shí)電子吸收或釋放的能量為兩個(gè)能級(jí)之間的差值，是以光子的吸收或發(fā)射方式完成的。只要選擇合適的材料就能使發(fā)光波長(zhǎng)集中在某單一波長(zhǎng)，從而使其發(fā)光效率達(dá)到一個(gè)最優(yōu)的效果。實(shí)際生產(chǎn)中，所用的材料多為砷化鎵等半導(dǎo)體材料，這些材料發(fā)出的光的波長(zhǎng)能夠集中在一個(gè)很窄的范圍內(nèi)，其中心頻率正好為可見(jiàn)光之外的紅外線區(qū)域。當(dāng)半導(dǎo)體材料正常工作的時(shí)候，其溫度恒定，那么其發(fā)光頻率就完全由通過(guò)其本身的電流大小直接決定，這樣就可以通過(guò)控制電流來(lái)控制其發(fā)光的波長(zhǎng)、頻率，達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

2 結(jié)語(yǔ)

縱觀國(guó)內(nèi)外，對(duì)于紅外線發(fā)電還處于初級(jí)階段，并未出現(xiàn)可以在無(wú)可見(jiàn)光的條件下利用紅外線發(fā)電且應(yīng)用的實(shí)例。但展望紅外線發(fā)電這一技術(shù)，它的成功將使人類(lèi)發(fā)電技術(shù)邁上一個(gè)新的臺(tái)階，它可以將發(fā)電成本大大縮小化，又可以將發(fā)電地區(qū)普及化，最關(guān)鍵的是它可以將時(shí)間任意化。它的成功與應(yīng)用，將徹底扭轉(zhuǎn)現(xiàn)今電子產(chǎn)品供電續(xù)航能力差的局面。

[1]薩法·卡薩普.電子材料與器件原理[M](第三版上冊(cè)).西安：西安交通大學(xué)出版社,2009.6：165.

[2]王曉耘.超高速光電管中反射式銀氧銫光電陰極的研究[J].

[3]史久德.復(fù)蒸銀對(duì)銀氧銫光電陰極特性的改進(jìn)[J].1992.6.

[4]楊正.一種沼與發(fā)電相紅外線收發(fā)模快的設(shè)計(jì)[J].

[5]昊玲玲,薛增全,吳全德.銀氧銫光電陰極的多光子光電產(chǎn)額[J].1991.11.

呼和滿都拉(1982-)，男，內(nèi)蒙古烏蘭察布市人，講師，主要從事大學(xué)物理教學(xué)及課程建設(shè)工作。

呼和滿都拉。