[论文解读] A simple radiative thermal diode

Elyes Nefzaoui, Jérémie Drevillon+2 more|Jun 26, 2013

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 2被引用 32

一句话总结

本文提出了一种基于两种多层选择性发射极——金和重掺杂硅——的远场辐射热二极管，其中一种发射极的发射率具有温度依赖性，而另一种则为温度无关，从而实现非对称热传递。该器件在200 K温差下实现了高达70%的热整流，创下基于辐射的热整流器的纪录。

ABSTRACT

We present a thermal rectification device concept based on far-field radiative exchange between two selective emitters. Rectification is achieved due to the fact that one of the selective emitters radiative properties are independent on temperature whereas the other emitter properties are strongly temperature dependent. A simple device constituted by two multilayer samples made of metallic (Au) and semiconductor (Si and HDSi) thin films is proposed. This device shows a rectification up to 70% with a temperature difference ΔT = 200 K, a rectification ratio that has never been achieved so far with radiation-based rectifiers. Further optimization would allow larger rectification values. Presented results might be useful for energy conversion devices, smart radiative coolers / insulators engineering and thermal modulators development.

研究动机与目标

• 设计一种实用且实验上可行的辐射热二极管，以克服以往基于导热或近场结构的热整流器的局限性。
• 通过远场辐射实现高热整流比，相较于近场或纳米尺度器件，更适用于实际应用。
• 利用光谱可调谐、温度依赖的选择性发射极，在不同工作温度和光谱范围内实现高整流性能。
• 证明在中等温差下，仅使用简单的多层金属与半导体结构，即可实现超过70%的热整流。
• 为热管理、能量转换及智能热调制器件提供可扩展的、基于材料的解决方案。

提出的方法

• 该器件由两个平行平面选择性发射极组成，中间为远大于维恩波长的真空间隙，确保远场辐射占主导地位。
• 一种发射极（金）采用温度依赖的德鲁德模型描述其介电函数，其中等离子体频率和阻尼系数随温度变化。
• 第二种发射极（重掺杂硅）采用温度依赖的德鲁德模型，其中载流子迁移率和阻尼系数随温度变化，而等离子体频率保持恒定。
• 利用远场辐射传热方程计算辐射热流，透射系数基于发射率和反射率，依据基尔霍夫定律推导。
• 在对称温度反转条件下（500 K 和 300 K），通过正向与反向热流的相对差值计算整流系数。
• 金、重掺杂硅和本征硅的温度依赖光学特性，基于已建立的物理关系和文献数据进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于仅温度依赖和温度无关的选择性发射极，远场辐射热二极管能否实现高整流比？
• RQ2 在中等温差下，仅由金和掺杂硅组成的简单多层结构，其最大热整流比能达到多少？
• RQ3 掺杂硅中载流子迁移率和阻尼的温度依赖性如何影响辐射热流的不对称性？
• RQ4 所提出的器件在整流效率方面能否优于现有的基于辐射的热整流器？
• RQ5 通过设计发射极材料，能否在不同光谱范围内实现整流性能的可调谐？

主要发现

• 所提出的辐射热二极管在200 K温差下实现了最高70%的热整流比，显著超过以往报道的基于辐射的整流器性能。
• 高整流性能源于重掺杂硅的发射率具有强烈的温度依赖性，而金的发射率在整个温度范围内几乎保持恒定。
• 该器件工作在远场区域，相较于近场或纳米尺度器件，具有更高的实验可行性和可扩展性。
• 通过选择具有定制温度依赖光学特性的合适选择性发射极，可在不同光谱范围内调节整流性能。
• 理论分析证实，整流效应源于掺杂硅层发射率的非对称温度依赖性，该特性调制了其与金层之间的辐射耦合。
• 进一步优化多层结构有望使整流比超过70%，表明其在实际热管理与能量转换应用中具有巨大潜力。