新型高性能光子直流变压器( 二 ) 作为很多其他能量形式转化的

这个通过光来实现变压的方法看似简单，实际上有不少难点。其中最大的难点就是效率问题。我们现在用的高效LED照明灯的电能到光能的转换效率大多都在20%以内。光子变压器的输入端和输出端有两次转化，这样估算下来光子变压器效率在5%左右，根本无法与现有的直流变压器技术（可达80-90% 以上）竞争。这一点也被一些相关工作从侧面证实[2] 。

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图3. a, c空气作为介质的情况下 LED和 PV之间的光子传递模式。b, d 高介电常数材料作为介质的情况下 LED和 PV之间的光子传递模式[1] 。
新设计的光子变压器提出了一个新的思路从根本上解决了这个难题。之前的问题其实出在光子在不同媒介中传递的效率问题上。如果我们考虑光子在LED和 PV之间的传递过程。当中间是空气媒介的时候，光子在LED内产生后，必须要通过空气才能到达PV 。然而空气中能够支持的光子传递模式有限，大量的在LED中产生的光子被困在LED里无法及时脱离LED而最终只能转变为热能损耗。这就是造成效率低下的原因。新设计的光子变压器中，发明者抛弃了传统的空气作为介质的传递模式，而是采用了高介电常数的透光介质，这样一来，大量的光子传递模式被打开， LED和PV之间的光子传递变得畅通无阻，电光转换和光电转换的效率都得到了极大的增强。这种效应和进场的光子隧穿效应有着异曲同工之妙，后者经常被用到增强辐射传热的应用之中[3] 。

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图4. a, 基于氮化镓（GaN）的光子变压器一体化示设计示意图。b, 在各种程度的内在电阻引起的损耗下，光子变压器的变压比和变压效率的变化[1] 。
基于上述的原理，发明者提出了图4中的基于氮化镓的一体化光子变压器设计。氮化镓作为一种高性能的半导体，可以极大程度减少电能和光能之间互相转化造成的损耗。氮化镓PV和LED之间加入了高介电常数的AlGaN夹层，用来给光子提供足够的传递模式，以提高整体效率。在考虑各种重要的损耗之下，这样设计的氮化镓光子变压器的转化效率可以达到极高的90%左右。而且随着半导体技术的进一步提高，转化效率还可以继续得到提升。
【新型高性能光子直流变压器】

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图5. a, 对比实验中所使用的商用直流变压器和测试其电磁辐射的天线。b, 实验测试的商用直流变压器的电磁辐射。c, 概念验证实验中样板电路的设计。d, 实验测试的样板光子变压器的电磁辐射。[1] 。
除了效率高，体积小之外，光子变压器还有一个重要优点，就是它基本上不产生电磁干扰。为了展示这个优点，发明者利用市面上现有的中红外LED和 PV设计了一个概念验证实验。实验中的电路包含了100个并联的LED和100个串联的 PV 。发明者测试了市面上高性能直流变压器和光子变压器所产生的电磁辐射波谱，如图所示的商用的直流变压器的辐射波谱包含了对应于内部谐振电路各次谐波的辐射，而且辐射的强度非常高。然而光子变压器除了热噪声之外，没有任何其他的电磁辐射来源了。值得一提的是实验中所使用的LED和PV并不是高性能产品（每个成本大概在0.5元），整个的样板电路依然提供了大约40倍的变压比，这是文献中基于光子转化方式实现的最高值。