Nanofluid Filled Enclosures: Potential Photo-thermal Energy Conversion and Sensible Heat Storage Devices
在目前的工作中,我们提出了“纳米流体填充外壳”作为潜在的光-热能转换和显热存储设备。在本文中,纳米流体的光学充电已经被建模为“太阳辐射能-纳米颗粒”相互作用。随后的能量重新分配已被建模为耦合传输现象,涉及质量,动量和能量传输。特别是,纳米流体填充的外壳绝热,等温(通过对流)边界进行了分析,分别破译显热存储和热排放能力的基本限制。此外,纳米粒子的体积分数的光-热能转换机制及其再分配的影响进行了严格的研究。详细的分析表明,在类似的操作条件下,在体积吸收模式(即,在低纳米颗粒体积分数下)纳米流体填充的外壳具有比相应的表面吸收模式下更高的显热存储(高7% - 27%)和热释放(高16% - 47%)能力(即,在高纳米颗粒体积分数下)。总的来说,“纳米流体填充的外壳”,特别是在体积吸收模式下,可以用于有效的太阳能热转换和存储。
2022-03-13 physics.app-ph
Metamaterial Thermoelectric Conversion
我们提出了一种热电装置,即使在均匀的温度环境中也可以产生热梯度。我们介绍了一种超材料吸收体(MA),它包括一个透明的氟化钙层夹在银镜层和银微盘阵列,在一个热电装置的一端由碲化铋锑。器件的MA和相对电极的加热效率是不平衡的;因此,诱导了塞贝克效应,导致发电。我们在热电器件上的铜电极上制备了MA,并将该器件置于364 K的恒温环境中。通过实验测量了器件上的热梯度,发现为0.14 K。
2022-05-15 physics.app-ph physics.optics
A dynamic picture of energy conversion in photovoltaic devices
对新兴的光致发光器件如有机和钙钛矿太阳能电池的研究最近表明,光生载流子的分离与被照射器件内的非热相干振荡相关。我们认为这个实验证据的光的结果从理论的开放量子系统,点需要一个自振荡的内部电容器,作为一个微观活塞,解释如何照明太阳能电池作为一个自主的热机。我们提出了一个图片的工作提取光伏器件,取代了准静态的描述,在文献中流行。最后,我们认为,这种凝聚态物理和量子热力学之间的对话可能会提供一个新的能量转换器的设计指导。
2019-01-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech physics.app-ph
Enhanced functional reversibility in lead-free ferroelectric material over long cycle pyroelectric energy conversion
本文通过晶格调控和晶粒粗化使无铅BCZT-0.10BCT满足相变相容条件,实现高可逆相变,器件在3000次循环中保持4μA/cm²稳定热释电输出,显著提升抗疲劳性能。
2023-03-22 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Terahertz Polarization Conversion from Optical Dichroism in a Topological Dirac Semimetal
拓扑狄拉克半金属(TDSM),如Cd $_3$ As $_2$和Na $_3$ Bi,表现出强的光学二向色性,沿不同的晶轴具有相反的介电常数。然而,这种光学二向色性在基于TDSM的光电子器件的研究中经常被忽视,并且这种光学二向色性是否可以导致在各向同性近似下未发现的独特功能性至今仍然是一个悬而未决的问题。在这里,我们表明,在TDSM的光学二色性导致截然不同的太赫兹(THz)的响应和设备的性能相比,各向同性的情况下。使用有限差分时域模拟的Cd $_3$作为$_2$为基础的超颖表面,我们表明,这种光学二向色性可以导致一个意想不到的太赫兹波偏振转换,即使超颖表面结构保持C $_4$四重旋转对称,一个实际上有用的功能下实现的各向同性模型的TDSM。我们的研究结果具体揭示了各向同性和各向异性介质之间的对比光谱响应,并揭示了各向异性TDSM在太赫兹应用中的能力,不仅导致更准确的器件建模,而且还实现了太赫兹波偏振转换的新途径,而不需要传统偏振转换器中常用的复杂器件形态。
2022-08-24 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Bidirectional electro-optic conversion reaching 1% efficiency with thin-film lithium niobate
超导腔电光(EO)技术是实现微波光子和可见光光子相干转换,并通过光网络在超导电路之间实现量子纠缠远距离分布的有效途径。高光电转换效率要求转换材料具有强的普克尔斯效应和优良的光学透明性。薄膜铌酸锂(TFLN)提供了这些期望的特性,然而到目前为止仅提供了具有$10^{-5}$量级的效率的单向转换,这在很大程度上受到其在低温下突出的光折变(PR)效应的影响。在这里,我们表明,通过减轻PR效应和相关的电荷屏蔽效应,器件的转换效率可以提高几个数量级,同时保持稳定的低温操作,从而可以证明转换的双向性和片上效率的准确量化。优化后的基于蓝宝石衬底TFLN的单片集成超导电光器件实现了1.02%的片上转换效率(内效率15.2%)。我们的演示表明,随着器件的进一步改进,TFLN接近单位内转换效率是可行的。
2021-01-01 physics.app-ph physics.optics
Development of Novel Cathode Materials based on MWCNT for Energy Storage/Conversion Devices
采用溶胶-凝胶法制备了Li 2FexMn(1-x)SiO 4/MWCNT复合材料。在这项研究中,观察到改善的电化学性能,通过取代Fe取代Mn。进一步将多壁碳纳米管与制备的锂离子电池正极材料和超级电容器电极材料制备复合材料。各种表征技术,如:FESEM,EDX证实了材料的结构,形态和纹理。发现平均粒度为20-30 nm的量级。随着颗粒尺寸的减小,显示出更好的导电性/电化学性能,这被交流阻抗谱和循环伏安法结果所证实。
2018-07-14 physics.app-ph
Localized Topological States beyond Fano Resonances via Counter-Propagating Wave Mode Conversion in Piezoelectric Microelectromechanical Devices
针对传统MEMS装置局域参数传感性能下降的问题,本研究提出一种基于AlScN SSH界面的拓扑射频反向传播波模相消干涉的新型MEMS装置,可实现局域拓扑态,为高分辨局域传感及稳定频率源等应用提供新方案。
2024-06-22 physics.app-ph
Electrical barriers and their elimination by tuning (Zn,Mg)O composition in Cu(In,Ga)S2: Systematic approach to achieve over 14% power conversion efficiency
传统的CdS缓冲层在无硒Cu(In,Ga)S2太阳能电池中由于在Cu(In,Ga)S2/CdS界面处的负导带偏移而导致开路电压降低。减少这种损失需要用替代缓冲层代替CdS。然而,替代缓冲层可能会在器件中引入电势垒,这是由于在其他界面处(例如缓冲层/ZnO i层之间)的不利能带对准。本研究的目的是减少界面复合和消除电势垒的Cu(In,Ga)S2太阳能电池使用的Zn 1-xMgxO和Al掺杂的Zn 1-xMgxO缓冲和i层的组合,分别使用原子层沉积和磁控溅射沉积。用这些层制备的器件的特征在于通过电流-电压和光致发光测量。数值模拟进行理解的电势垒上的器件特性的影响。确定了Zn 1 xMgxOx = 0.27的最佳组合物,用于与带隙为~1.6 eV的Cu(In,Ga)S2进行合适的导带对准,抑制界面复合并避免势垒。优化的缓冲剂组合物与合适的i层一起导致具有14%效率和943 mV开路电压的器件。用ZnO和Al:(Zn,Mg)O制备的器件的光电测量的比较表明,对于高效率器件,用Al:(Zn,Mg)O i层代替ZnO i层是必要的。
2022-02-22 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Adiabatic conversion between gigahertz quasi-Rayleigh and quasi-Love modes for phononic integrated circuits
非悬置声子集成电路已被提出用于片上声学信息处理。受传统叉指换能器工作机制的限制,GaN/Sapphire中准Love模的激发效率很低,因此高效的Rayleigh-to-Love模转换器对未来集成声子器件具有重要意义。在这里,我们提出了一个高效率和鲁棒的声子模式转换器的基础上的绝热转换机制。利用基片的各向异性弹性特性,用简单的锥形声子波导实现绝热模式转换器。对于工作在GHz频段的声子波导,可以实现超过$98\%$的转换效率,$3\,\mathrm{dB}$带宽为$1.7\,\mathrm{GHz}$,并且对制造误差具有良好的耐受性也得到了数值验证。我们提出的器件可以用于经典和量子声子信息处理,绝热机制可以推广到其他声子器件的设计。
2022-02-14 physics.app-ph
Metasurface absorber enhanced thermoelectric conversion
本文研究超表面在光热电转换中的作用,发现其光学厚度与薄几何结构能有效收集环境热辐射并传导局部热量,从而在热电器件中产生额外温度梯度和输出电压,性能优于高红外吸收的碳黑涂层电极。
2023-08-11 physics.app-ph physics.optics
Energy conversion from heat to electricity by highly reversible phase-transforming ferroelectrics
由于多铁性材料的铁性随温度的变化而变化,使其成为热能、电能、磁能和机械能之间的转换介质,因此寻找高性能的多铁性材料成为能源科学领域的研究热点。在这里,我们报告了一种材料开发策略,该策略指导我们发现一种可逆相变铁电材料,该材料可从微小的温度差中获得持久的能量。该材料满足极性相和非极性相之间的晶体学相容性条件,表现出仅2.5C的热滞后和高品质因数。在没有任何偏置场的情况下,它在连续的热力学循环中稳定地产生15 uA的电力。我们证明了我们的器件在540个完整的相变循环中在100 C附近始终产生6 uA/cm 2的电流密度,而没有任何电气和功能退化。该能量转换装置可以直接点亮LED,而无需附加外部电源。这种有前途的材料候选者使低品位废热收集更接近实际实现,例如,水沸点附近的小温度波动可以被认为是清洁能源。
2021-06-10 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Gate-tunable Spin-Galvanic Effect in Graphene Topological insulator van der Waals Heterostructures at Room Temperature
物质拓扑态中独特的电子自旋织构对于新兴的自旋轨道驱动存储器和逻辑技术是有希望的。然而,有几个挑战与增强其性能,电栅极可调谐性,从平凡的体状态的干扰,和异质结构接口。我们通过将二维石墨烯与三维拓扑绝缘体(TI)集成在范德华异质结构中来解决这些挑战,以利用其显着的自旋电子学特性和工程师邻近诱导的自旋电荷转换现象。在这些异质结中,我们实验证明了在室温下的栅极可调自旋电流效应(SGE),允许有效地转换成横向电荷电流的非平衡自旋极化。通过自旋开关、自旋进动和磁化旋转实验对各种器件几何结构中的SGE进行系统测量,建立了Gr-TI异质结构中自旋-电荷转换的鲁棒性。重要的是,使用栅极电压,我们揭示了一个强大的电场可调性的幅度和符号的自旋电流信号。这些发现为利用TI和石墨烯异质结构实现全电和栅极可调自旋轨道技术提供了一条有效的途径,可以提高自旋电子电路的性能并降低功耗。
2020-08-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
GaN Power Devices and Converter Architectures for AI Data Centers: Efficiency, Reliability, and Deployment Pathways
University of North Carolina at Charlotte(北卡罗来纳大学夏洛特分校)
本文综述了GaN功率器件在AI数据中心电网到负载转换链各阶段的应用,通过对比Si、SiC和GaN的变换器相关指标,分析了横向、纵向和专用GaN架构的性能,并提出了量化框架评估级联变换器效率对能耗和碳排放的影响。
2026-06-25 cs.SY eess.SY physics.app-ph
Two-Stage Lithium Niobate Nonlinear Photonic Circuits for Low-Crosstalk and Broadband All Optical Wavelength Conversion
针对现有单阶段全光波长转换器串扰高的问题,提出集成二次谐波模块、转换模块及泵浦滤波器的两阶段TF-PPLN光子电路,实现25dB以上边道抑制比、110nm带宽与-15.6dB效率,适用于经典与量子光子系统。
2025-08-03 physics.app-ph physics.optics
Unconventional charge-spin conversion in Weyl-semimetal WTe2
拓扑量子材料的一个突出特点是在电子能带结构中具有新颖的自旋拓扑结构,具有很高的电荷-自旋转换效率。在这里,我们报告了电荷电流诱导的自旋极化在II型外尔半金属候选WTe 2和有效的自旋注入和检测在石墨烯通道高达室温。与传统的自旋霍尔和Rashba-Edelstein效应相反,我们的测量表明WTe 2中的非常规电荷-自旋转换,这主要是由系统的晶体对称性所禁止的。这种大的自旋极化在WTe 2中是可能的,这是由于降低的晶体对称性与其大的自旋Berry曲率、与费米态的新颖自旋织构的自旋轨道相互作用相结合。我们展示了一个强大的和实用的方法,用于电创建和检测这样的自旋极化使用电荷到自旋转换及其逆现象,并利用它在石墨烯通道中的有效自旋注入和检测到室温。这些发现为利用拓扑Weyl材料作为全电范德华自旋电子电路中的非磁性自旋源以及低功率和高性能非易失性自旋电子技术提供了机会。
2020-08-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Micro-gap thermo-photo-thermionics: An alternative approach to harvesting thermo-photons and its comparison with thermophotovoltaics
本研究提出一种基于热光子耦合的微间隙热离子能量收集方案,经理论分析其功率密度、转换效率均优于同材料的热光伏器件,为热能与光能收集提供了有潜力的替代技术路径。
2024-06-19 physics.app-ph
Insights into the use of polyethylene oxide in energy storage/conversion devices: A critical review
本文综述了聚氧化乙烯基电解质的最新进展。全球研究人员的最终目标是开发用于储能设备的独立式固体聚合物隔板。该单个独立式固体聚合物分离器可以替代现有高效/智能能源技术中使用的液体和分离器(有机/无机)。例如,聚环氧乙烷(PEO)由富含电子供体的基团组成,该基团为阳离子提供用于迁移的配位位点。由于这种独特的结构,PEO表现出一些显着的性能,如低玻璃化转变温度,优异的柔韧性和与各种金属盐络合的能力,这是其他聚合物主体无法达到的。因此,PEO是最新兴的候选人,已被审查或目前正在试镜的应用在能量存储设备。本文首先对聚氧化乙烯的性质、聚合物电解质的组成特点以及聚合物电解质的改性方法进行了详细的研究。然后,概述了合成和表征技术。重点介绍了液体电解质、塑化电解质和分散/插层电解质四种电解质/隔膜的结构、特点和充放电性能。为了更好地理解这类系统中的离子动力学,讨论了不同著名小组的研究人员提出的合适的离子输运机制。
2018-07-11 physics.app-ph
Battery Detached Energy Conversion by Pyroelectric Effect
我们提出了一种热释电能量转换装置,将热量直接转换为电能。与传统的热释电能量转换设计相比,这种能量收集系统与任何外部电源分离,仅在周期性变化的温度下工作。这种分离明确地将转换的电力归因于驱动热电材料中极化变化的热量,而不是归因于外部电池引起的电场交替。使用纯的和Zr掺杂的钛酸钡$_3$,我们证明了在连续的温度循环发电。我们进一步开发了一个热力学模型的能量转换系统。我们的模型表明,功输出是速率相关的:每个周期的功输出线性依赖于低于预测阈值的加热/冷却频率。通过实验证实了其线性度,并从理论上推导出了阈值频率。最后,我们提出了一个数字的优点,从系统设计参数分离的材料的固有特性。品质因数指导未来的材料开发和器件改进。我们的工作消除了困惑,并为热释电材料作为绿色电力的竞争对手的复兴奠定了基础。
2019-02-11 physics.app-ph
Integrated waveguide-based acousto-optic modulation with near-unity conversion efficiency
针对集成声光器件转换效率低的问题,本文利用蓝宝石衬底上的氮化镓波导同时限制亚波长光场与声场,实现近单位转换效率及超过10 dB隔离比的非互易光传输。
2023-06-02 physics.app-ph physics.optics
Realization of ultra-broadband IR up-conversion imaging
具有高性能的超宽带成像器件在包括成像、遥感和通信在内的各种技术应用中有着巨大的需求。基于p-GaAs同质结界面功函数内光电发射探测器-发光二极管(LED)器件实现了一种超宽带上变频器。该器件表现出从可见光到太赫兹(THz)的超宽响应,具有良好的再现性。在中红外(MIR)区域中的峰值响应度在10.5微米处为140 mA/W。HIWIP-LED显示出覆盖所有红外大气窗口以及THz区域的超宽带上转换的巨大潜力,并且进一步证明了CO2激光器的MIR光斑的无像素成像。此外,建议的上变频器还执行作为一个近红外和可见光探测器在零偏下,通过使用一个双功能LED。由于其超宽响应,HIWIP-LED上变频器在稳定、高性能的超宽带无像素成像和多功能分析系统中具有很大的潜力。
2022-05-24 physics.app-ph physics.optics
Harnessing near-field thermal photons with efficient photovoltaic conversion
大量的热能可在辐射和非辐射状态下接近材料表面,这可用于物质表征或用于能量装置。利用这种近场能量的一种方法是将其散射到远场。另一种方法是将吸收体靠近热发射体,并且在过去二十年中已经预测了利用近场中的热光子的全类新颖光子器件的出现。然而,近场热光子的有效热电转换,即开创性的构建模块,直到现在还不能通过实验实现。在这里,通过接近一个微米大小的红外光电池在纳米距离的热表面,我们展示了转换效率高达14%,导致前所未有的电功率密度输出(7500 W.m-2),数量级大于所有以前的尝试。该原理的证明是通过使用热石墨微球发射器(~800 K)和锑化铟电池来实现的,其低带隙能量与发射器红外光谱相匹配,并且是专门为近场设计的。这些结果为直接在近场转换热光子的高效光电探测器铺平了道路。他们还强调,近场热光伏转换器以非接触方式收集辐射热能,现在正在与其他能量收集设备(如热电)在大范围的热源温度上竞争。
2019-12-16 physics.app-ph physics.optics
Nonequilibrium theory of the conversion-efficiency limit of solar cells including thermalization and extraction of carriers
理想的太阳能电池转换效率极限被称为Shockley-Queisser(SQ)极限,其基于吸收和辐射之间的细致平衡,长期以来一直是太阳能电池研究人员的目标。虽然该极限的理论使用了几个假设,但实际设备中的要求尚未得到充分讨论。考虑到目前的情况下,研究水平的电池效率接近SQ限制,定量的论点,关于这些要求是值得的,在当前的设备和太阳能电池的细致平衡条件外运行的设备特性的剩余损耗机制的理解方面。在这里,我们检查两个基本假设:(1)光生载流子通过声子发射在瞬间(快速热化)失去它们的动能,和(2)光生载流子在瞬间(快速提取)被提取到载流子库中。使用一个模型,占载流子弛豫和提取动力学,我们重新制定了太阳能电池的非平衡理论的方式,涵盖了平衡和非平衡制度。使用一个简单的平面太阳能电池作为一个例子,我们解决的参数制度的载流子提取时间,然后考虑传统的SQ理论适用于什么地方,可能会发生什么适用范围之外。
2018-02-06 cond-mat.mes-hall physics.app-ph