Эффект теплового насоса

Исследовательская группа под руководством доктора физико-математических наук Бориса Матвеева, входящая в лабораторию инфракрасной оптоэлектроники санкт-петербургского Физико-технического института имени Абрама Иоффе и образующая костяк инновационной компании «ИоффеЛЕД», разработала инфракрасный светодиод, КПД которого оказался существенно больше единицы. Такой на первый взгляд фантастический результат был получен совсем недавно коллегами физтеховцев из лаборатории электроники (Research Lab of Electronics) Массачусетского технологического института (MIT), которые использовали в своих экспериментах непосредственно питерский прибор.

Никаких нарушений законов термодинамики здесь нет, говорит генеральный директор «ИоффеЛЕД» Максим Ременный. По расчетам ученых, эффективность некоторых полупроводниковых приборов обратно пропорциональна мощности, и при снижении напряжения на контактах потребляемая мощность у такого диода падает намного быстрее (квадратично), чем мощность излучения, падающая линейно. На первый взгляд странное и противоречащее курсу школьной физики значение КПД имеет в своей основе глубокую физику процессов, происходящих в твердом теле при взаимодействии с окружающим полупроводник теплом. Такое взаимодействие, при котором энергия покидающего полупроводник фотона превышает энергию, затрачиваемую на электрическое смещение p-n перехода, и сопровождается радиационным (или излучательным) охлаждением системы, предсказывалось в теоретических работах некоторых авторов еще в конце 50-х годов прошлого века. Но только в 2012 году американцам удалось провести эксперимент, зарегистрировать и подтвердить возможность получения КПД с коэффициентом больше единицы.

В экспериментах MIT светодиод с кремниевой иммерсионной линзой, произведенный в «ИоффеЛЕД», будучи нагретым до определенной температуры (а она в опыте варьировалась), потреблял из сети 30 пиковатт электроэнергии, но при этом выдавал в виде света 69 пиковатт оптической мощности. Светодиод, как и в теории, конвертировал в излучение не только ток из «розетки», но еще и добавочное тепло от кристаллической решетки полупроводника, так что при прямом подсчете «розеточного» потребления КПД оказался 230 процентов.

Еще в 60-годы прошлого столетия было понятно, что инжекционные источники излучения, такие как светодиоды, обладают огромными перспективами по сравнению с накальными источниками света, то есть обычными лампами, благодаря прямому преобразованию электрической энергии в энергию фотона. Именно поэтому в нынешнее время мы наблюдаем постепенный процесс замены традиционных источников видимого излучения на светодиодные. В средней инфракрасной области (2–5 мкм), то есть в области, не доступной для человеческого глаза, но важной для ряда приложений, связанных, например, с измерениями состава газовых сред, также происходит переход к светодиодным источникам. Ученые полагают, что развитие идей, связанных с дополнительной конверсией тепла, может привести к появлению светодиодных светильников, не создающих в ходе работы избыточного тепла, или к новым методам охлаждения микросхем.