浙江大學林時勝團隊：利用5G信號等無線電波進行直流發電
2020-06-28 科技導報
近日，浙江大學林時勝教授團隊提出了一種新型石墨烯/半導體無線電發電機，通過5G頻段無線電波激發石墨烯產生熱電子，並在內建電場作用下快速分離，通過量子隧穿過程產生電流，實現無線電波環境下直流發電。相關成果以「Graphene/semiconductor heterostructure wireless energy harvester through hot electron excitation」為題發表在Research上（Research, 2020 DOI: 10.34133/2020/3850389，宣揚帆、陳紅 陳妍為共同第一作者）。
研究背景
隨著人工智慧、無人機、可穿戴設備等領域的快速發展以及物聯網的普及，可隨時隨地獲取原位能源的無線充電器件受到了廣泛的關注。採用無線充電的方式對電池進行充電，有利於電池的長期運行，節省了大量的電池維護和更換工作。無線電能傳輸技術具有靈活便捷、安全可靠、易於控制及受外界影響較小等優點，從無線電波中獲取能量的技術，有著很好的發展前景。近年來，隨著物聯網和5G的興起，人們越來越需要對廣泛分布的物聯網傳感器件進行無線充電。但目前研究還沒涉及將5G波段無線電能源收集並轉化為電能的石墨烯器件結構，因此，發明一種簡單結構的無線充電器件將可以為物聯網傳感器件和設備提供便捷的能量供給。
<<研究進展
浙江大學林時勝教授領導的高效發電與信能一體化團隊近來提出了一種基於石墨烯/半導體異質結的無線能源發電機。在5G時代蓬勃發展的今天，利用空氣中存在的射頻波獲取能量，實現信能互傳，將會成為將來非常有前景的研究方向。相比於利用天線對RF波進行整流的半導體異質結構，林時勝教授團隊提出的基於石墨烯/半導體異質結的無線能源發電機結構簡單，可以直接利用石墨烯的等離子體激元激發以及石墨烯與GaAs或GaN之間的量子隧穿過程將RF波轉化為直流信號。圖1是石墨烯/砷化鎵形成的異質結半導體結構，實驗使用了915MHz的無線電波源，在石墨烯表面激發出等離子激元，產生電子，通過量子隧穿過程將RF波轉化為直流電。這一新型無線能量發電機，具有結構小巧簡單、不受環境和外加電路限制、利用空間中冗餘的無線信號即可發電的優點，在便攜化的智能可穿戴設備以及自驅動的物聯網傳感器中有很好的應用前景。
圖1 石墨烯/半導體異質結構無線電發電機及其原理示意
石墨烯中熱電子壽命較長且石墨烯/半導體異質結快速分離載流子是無線電波激發器件產生電流的根源，由無線源產生的電流信號非常穩定，具有良好的發電效果。為進一步研究本器件對多個無線信號源的響應，團隊還設置了不同角度的源對發電電流的影響，可以發現不同源在器件上產生的發電效果可以進行疊加，其中兩個源成45°角的發電效果最佳，可達0.15mV。相比較於傳統PN器件對無線電的零響應，林時勝教授團隊還發現石墨烯/AlN/Si和石墨烯/Al2O3/Si等石墨烯/矽半導體也對無線信號源產生了類似的發電效果，並且發電效果更好。這論證了石墨烯/半導體結構在無線發電、5G發電領域的可行性。
圖2 PN Si、石墨烯/AlN/Si和石墨烯/Al2O3/Si結構的發電特性
未來展望>>
石墨烯/半導體無線電發電機可以利用環境中冗餘的5G信號等無線信號實現對物聯網傳感器等元件的實時持續供電，作為新一代的輕質化可持續原位能源獲取技術可以消除物聯網設備供電帶來的額外設備及管理成本，將大大助力物聯網產業的發展。此無線充電異質器件為5G社會的傳感器原位供電提供了一種新的解決方案，有機會實現信息-能源一體化。
<<作者簡介
林時勝，浙江大學教授，帶領高效發電與信能一體化團隊在高效光電和發電器件領域取得了一些重要研究成果，包括高效新型高效發電器件、高效太陽電池、高效自驅動光電探測等。已在國際期刊發表學術論文近80篇，被引用近3000次，授權發明專利近20項，擔任Science Bulletin副主編等學術兼職。
林時勝個人主頁：https://person.zju.edu.cn/shishenglin
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