白炽灯会在纳米技术的支持下逆袭LED吗

摘要：由美国麻省理工学院(MIT)和普渡大学(Purdue University)组成的研究团队宣称，研究人员们正成功地“结合传统灯泡的温暖外观以及21世纪的能源效率”。

  由美国麻省理工学院(MIT)和普渡大学(Purdue University)组成的研究团队宣称，研究人员们正成功地“结合传统灯泡的温暖外观以及21世纪的能源效率”。尽管这项研究属于“纳米光子学”领域，但MIT的研究人员认为这项在灯泡研究的成果，也适用于其他能量转换技术。

  研究人员开发的这种新结构采用了真空中的传统钨丝，透过外部涂层或环绕次级结构，能够撷取可见光外部的辐射，并使其反射回灯丝，以便被重新以可见光吸收后再 次发射。这些光子晶体形式的结构采用地球上丰富的元素以及传统材料沉积技术加以制造：不仅可作为IR波长的反射器，也成为了可见光光谱的带通或高通光谱滤 波器。热能不断返回灯丝，并且随着电流的电阻加热提高灯丝温度而持续累积。

  研究人员指出该方案在理论上约可达到40%的发光效率，不过至今所制造的组件大约在6%左右。然而，这已经能媲美紧凑型荧光灯(compact fluorescent;CFL)以及现有LED灯的光源了。

  根据MIT表示，“白炽灯的灯光、温暖以及令人熟悉的光芒已经存在超过一世纪了，在全球各地的家庭应用中几乎不曾发生改变。然而，随着法规持续提升能效的目标，目前正迅速发生的变化是逐步淘汰旧式灯泡，转而采用更加高效的紧凑型荧光灯(节能灯泡)以及新的LED灯。”

  由爱迪生(Thomas Edison)开发的白炽灯泡原理是将钨丝加热至大约2，700℃的温度。在此高温下的钨丝会发射出所谓的黑体辐射，这种极其广泛的光谱可提供暖光以及各 色光源。不过，大约有95%以上的能量都会因为热而耗散。这就是为什么许多国家已明令禁止或淘汰这种低效的技术。如今，MIT与普渡大学的研究人员已经找到扭转这一切的方法。

  新的研究成果发表于《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)期刊。根据研究人员指出，这项研究的关键在于建立一个两阶段的过程。在第二步骤中“回收”先前浪费的能量，这让系统能够更高效地将电能转换成光能。其中之一是表征光源的“发光效率”，必须考虑到人眼的反应。传统白炽灯的发光效率大约2-3%，而荧光灯(包括节能灯泡)则为 7-15%，大部份的LED则在5-15%之间;而新开发的2阶段白炽灯则可望实现高达40%的发光效率。

  不过，研究团队开发的首款概念验证原型尚未达到这样的理想，而是大约6.6%的发光效率。但即使这是初步的成果，也已经可媲美目前的CFL与LED，而且也可能让白炽灯泡提高3倍的发光效率了。

  研究人员成功的关键之一在于设计出一种光子晶体，适用于相当宽广的波长范围与角度。这种光子晶体本身是在基板上沉积薄层堆栈而制造的。

  “当你堆栈薄层时，必须采用正确的厚度和顺序，”MIT教授Ognjen Ilic解释，“你就能够十分高效地调整材料与光源间的互动。在新开发的系统原型中，理想的可见光波长直接通过材料后由灯泡发射出来，但红外线波长会像镜 像作用一样被反射回灯丝，累积更多的热后再转换成光。由于只有可见光能够辐射出来，热量持续反弹回钨灯丝，直到最终成为可见光为止。”

  除了灯泡以外，该技术还能用于实现其它更多应用，MIT教授Marin Soljacic表示。相同的途径将会对于能量转换机制带来“显著的影响”，例如热-光电组件，其热能来自外部光源(化学物质、阳光等)而使物质发光，它 能透过光电吸收器使其发射能够转换成电能的光线。

  Soljacic说：“了解各种组件的基本属性”，如光、热及其重要互动，以及光的能量如何更有效率地利用，对于广泛的掌握各种物质来说都是十分重要的。此外，控制热发射的能力也至关重要。这是对这项研究的实质贡献。

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