高效的热光伏系统 来源：麻省理工学院

           据《物理评论A》（Physical Review A）杂志介绍，这种微调光的发射，关键在于这种材料有数十亿个纳米坑蚀刻在表面。当这种材料吸收热量时，无论热量是来自太阳，碳氢燃料，衰变的放射性同位素，还是任何其他来源，这种坑面辐射的能量基本上都会具有这些精心选择的波长。

         基于这种技术，麻省理工学院（MIT）的研究人员制造了一种纽扣大小的发电机，用丁烷燃料驱动，使用寿命比同等重量的锂离子电池高3倍以上；这种设备可以即刻充电，只需要把一个小小的新燃料盒按进去就行。另有一款设备是由放射性同位素驱动，会稳定地从放射性衰变产生热量，可以供电30年，不需要或维修，这是航天器的理想电源，这种航天器可远离太阳执行长期任务。

        据美国能源情报署（Energy Information Administration）称，我们使用的所有能源中，92％需要把热能转化为机械能，然后转化为电能，如使用燃料烧开水，驱动涡轮机，连接到一台发电机。但是，今天的机械系统效率比较低，而且不能缩小到传感器、智能手机或医疗监视器等设备所需的小尺寸。

         伊万•赛兰诺维奇（Ivan Celanovic）是麻省理工学院士兵纳米技术研究所（ISN：Institute for Soldier Nanotechnologies）的工程师，他说：“能把各种来源的热量转换成电能，不需要运动部件，这会带来巨大的效益，尤其是如果我们能够做得有效率，相对廉价又能达到小尺寸的话。”

刻有纳米洞的钨板，来源：麻省理工学院

              早就有人知道，光伏（PV）电池，不必总是在阳光下运行。半个世纪前，研究人员开发了热光伏（thermophotovoltaics），它就相当于可以利用任何热源的光伏电池：例如，用燃烧的碳氢化合物加热一种材料，这种材料称为热发射器，会把热和光辐射到光电二极管上，产生电力。热发射器辐射中包含的远红外线波长，远远多于太阳光谱中出现的，而“低带隙”光伏材料发明不到十年，比标准硅光伏材料可以吸收更多的红外辐射。但大部分的热量还是白白浪费了，所以效率仍然相对较低。

钨板上纳米坑的直径、深度和间距对辐射波长的影响，来源：麻省理工学院

             赛兰诺维奇说，该解决方案是设计一种热发射器，它辐射的波长只是光电二极管可以吸收并转换成电能的那些，同时抑制其它波长。“但是我们怎么能找到一种材料，具有这种神奇属性，只以我们想要的波长辐射呢？”马林•索尔贾西斯（Marin Soljačić）问道，他是麻省理工学院士兵纳米技术研究所物理学教授和研究员。答案是：制造一种光子晶体，这就要取一种材料样品，并在它的表面创造一些纳米特征，也就是说，孔或棱线的一种有规则重复的模式，这样，光穿过样品，就会具有显著不同的方式。

上图左起：电机工程和计算机学院研究生杨易祥（YiXiang Yeng），士兵纳米技术研究所工程师伊万•赛兰诺维奇，士兵纳米技术研究所物理学教授马林•索尔贾西斯，电机工程和计算机学院研究生瓦尔克·詹（Walker Chan），来源：麻省理工学院

          “我们可以选择如何设计纳米结构，创造的材料会具有新颖的光学性质，”索尔贾希斯说。 “这使我们有能力控制和操纵光的行为。”

            这一小组使用钨板，在其表面设计制造了数十亿个微小的坑。当钨板加热时，会产生明亮的光线，这些光线会有改变了的发射光谱，因为每个坑都用作一个谐振器，只能发射某些波长的辐射。

麻省理工学院的研究小组研制的多种硅芯片微型反应器。每个芯片在平坦的两侧都包含光子晶体，另外有管子注入燃料和空气，排出废弃物。在芯片内部，燃料和空气反应，加热光子晶体。在使用时，这些反应器将有一块光伏电池安装在每一面，其间有微小的间距，可以把发射的特定波长的光转换为电能。来源：麻省理工学院

          这一强大的技术已广泛用于改善激光器，发光二极管和光纤。麻省理工学院的研究小组现正与合作者一起，用它来创造了一些新的发电设备。

          这种类似按钮的装置使用丁烷或丙烷等烃类燃料作为热源，被称为微型热光伏（TPV）发电机，其核心的“微反应器”是化学工程教授克拉乌斯•詹森（Klavs Jensen）和沃伦K•刘易斯（Warren K. Lewis）设计的，而且是在微系统技术实验室（Microsystems Technology Laboratories）制造。这种装置达到的燃料到电的转换效率，比相同尺寸和重量的锂离子电池高三倍，赛兰诺维奇相信，经过进一步研究，他的小组可以使目前的能量密度提高3倍。“到那一步，我们的发电机就可以给您的智能手机供电，整整一个星期都不需要充电，”他说。