图：研究人员谢尔盖·克鲁克和材料结构示意图。

众所周知，针对当前严峻能源和环境问题，各国科学家都在不断发展新的解决途径，比如太阳能的利用，生物能，风能等等。实际上，我们身边存在大量的红外辐射热，如何有效利用这些热量一直是个难题。

近日，澳大利亚国立大学（ANU）和美国加州大学伯克利分校合作，开发出一种属性奇特的纳米超材料，该材料被加热时能以不同寻常的方式发光。这一成果有望推动太阳能电池产业的革命，带来能把辐射热转化成电能的热光伏电池，在黑暗中收集热量来发电。相关论文发表在最近的《自然·通讯》杂志上。

ANU物理与工程研究院的谢尔盖·克鲁克说，新的超材料克服了一些技术障碍，有助打开热光伏电池的潜能，预计能使热光伏电池的效率超过传统太阳能电池的两倍。

传统太阳能电池的硅半导体只吸收红外光，而高能量光波，包括大部分的可见光光谱，都以热能形式被浪费掉。虽然在理论上，传统太阳能电池的转换效率可达34%，但由于能量浪费，尽管其工艺不断完善和进步，其转换效率依然停滞在15%—20%。

热光伏电池产生电流不需要阳光直接照射，而是从周围环境中收集红外辐射形式的热。它们能回收利用发动机辐射的热，或与燃烧机结合按需发电。新型超材料有着纳米级的微结构，由黄金和氟化镁组成，能向特定方向发出辐射，还能改变形状发出特殊的光，而常规材料只能以全方位、广泛红外光波的形式发热。因此用这种材料制作匹配热光伏电池的发射器极为理想。

该材料的非凡表现来自其新奇的物理属性，它的磁性呈双曲线形分布，表示电磁辐射以不同方向传播。天然材料如玻璃或水晶，辐射形状是简单的球形或椭球形，而超材料的辐射形式截然不同，这是由于材料与光磁元件之间有着极强的相互作用。

克鲁克预测新材料会有这些令人惊奇的性质，他的团队与擅长制造这类材料的加州大学伯克利分校合作，利用前沿技术造出了这种材料，构成材料的基本单位还不到人头发截面的12000分之一。研究人员说，如果发射器和接收器的间距能达到纳米级，用这种超材料为基础造出的热光伏电池的效率还能进一步提高。在这种构造中，辐射热在二者之间传递的效率比传统材料要高10倍。

文章链接：

Sergey S. Kruk et al. Magnetic hyperbolic optical metamaterials, Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms11329 

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