能量选择电子器件的热力学性能与优化理论研究

Energy selective electron devices are a class of new type devices among numerous energy conversion devices. In this project, we will use the theories of statistical physics and quantum mechanics to study thermodynamic performances and optimal theories of energy selective electron devices. The main research contents are included as follows: (i) We will propose the models of some novel devices such as the low-temperature thermal conversion devices composed of three or multiple hot electron reservoirs connected by multiple energy selective electron tunnels, which don’t need an outside auxiliary power source and can be used as thermal amplifiers or coolers, the high-temperature energy selective electronic tunnel devices that can be applied to solar cells, and the power and cooling devices composed of multi-terminal hot electron reservoirs by using quantum dots or quantum wells to control electron transport and achieve energy selection. (ii) The effects of the position and width of energy selective electron tunnels, quantum dots, or quantum wells on the performances of devices are investigated so that energy selective electron tunnels, quantum dots, or quantum wells can be optimally designed and the magnitudes and directions of heat and electron flows can be reasonably regulated and controlled. (iii) The influences of the various physical effects and main irreversible losses in devices are analyzed. We will search the ways to reduce the irreversible losses, provide the design criteria of parameter selections, and determine the best operation schemes of devices. (iv)We will continuously develop and improve the optimal theories of energy selective electron devices and promote the exploitation and application of these novel devices.

能量选择电子器件是众多能量转换器件中一类正在发展的新型器件。 本项目将应用统计物理和量子力学等理论研究能量选择电子器件的热力学性能及其优化理论。主要研究内容包括：（i）构建由多个能量选择电子通道连接的三个或多个热电子库而组成的、不需要外界电源辅助的、可作为热放大器或制冷器的低温热转换器件，可适用于太阳能电池的高温能量选择电子通道器件， 应用量子点或量子阱控制电子输运实现能量选择的多端热电子库组成的功率器件和制冷器件等新模型；（ii）研究能量选择通道、量子点或量子阱的位置、宽度等对器件性能的影响，最佳地设计能量选择通道、量子点或量子阱，合理地调控热流和电子流的大小与方向；(iii)分析器件中的各种物理效应和主要不可逆损失对器件性能的影响，寻找降低不可逆损失的途径，提供参数选择的设计准则，确定器件的最佳运行方案；（iv）不断发展与完善能量选择电子器件的优化理论，促进这一类新型器件的开发与应用。

能量选择电子器件是众多能量转换器件中一类正在发展的新型器件。 本项目应用统计物理和量子力学等理论研究了能量选择电子器件的热力学性能及其优化理论。主要研究内容包括：（i）构建了由多个能量选择电子通道连接的三个或多个热电子库而组成的、不需要外界电源辅助的、可作为热放大器或制冷器的低温热转换器件，可适用于太阳能电池的高温能量选择电子通道器件， 应用量子点或量子阱控制电子输运实现了能量选择的多端热电子库组成的功率器件和制冷器件等新模型；（ii）研究了能量选择通道、量子点或量子阱的位置、宽度等对器件性能的影响，最佳地设计了能量选择通道、量子点或量子阱，合理地调控热流和电子流的大小与方向；(iii)分析了器件中的各种物理效应和主要不可逆损失对器件性能的影响，寻找降低不可逆损失的途径，提供参数选择的设计准则，确定了器件的最佳运行方案。此外，研究还建立了一些有创新性的理论模型，例如具有能量选择电子通道的热电制冷器和热载流子太阳能电池、量子点热电器件，最小的量子斯特林热机和不同种类的三端量子点器件。这些研究促进了新型能量转换器件的开发与应用。