俞書宏團隊最新AM： 納米線薄膜雙面神螺旋帶結構可用于制造高性能柔性太陽能熱電器件

nanoCJ 10個月前 (10-09) 1433瀏覽

【導讀】

太陽能熱電（STE）器件可在不產生溫室氣體的情況下將光/熱轉換成電力。在這一體系中，器件的能量轉換效率不僅取決于熱電材料，也高度依賴于熱電臂上的溫度梯度（ΔT）。過去十年里，人們已經開發了多種策略（包括熱電臂上實現熱阻抗以及在熱電器件的冷熱兩端進行溫度管理等）以實現顯著的溫度梯度。然而，這些策略在大尺寸應用中成本劇增，且還無法在干燥環境中保持較低的冷端（cold side）溫度，也就是說，在大尺寸應用中高效維持理想的溫度梯度目前來看依然是一個艱巨的挑戰。

 

日間被動輻射制冷（PDRC）技術是一項新興的可規模化制冷技術。在這一技術中，PDRC材料能夠反射幾乎全太陽光譜（0.28-2.5 μm）以抑制溫度上升，甚至在無需額外能量輸入的時候還能達到低于周圍溫度的水平。因此，通過柔性PDRC薄膜有望增加熱電器件冷端的熱耗散。與此同時，選擇性太陽能吸收技術（SSA）的出現則有利于抬升STE熱端（hot side）的溫度。因此，將PDRC和SSA技術結合在一起有望獲得更大的溫度梯度，從而改善STE器件性能。

【成果掠影】

近期，中科大俞書宏教授和劉建偉教授（共同通訊作者）等人設計了一種柔性的三維雙面螺旋帶結構。在這一結構中，排列良好的碲（Te）納米線薄膜與Ag+和Cu2+發生原位氧化還原過程，最終在一張薄膜上同時產生n型、p型和光熱端。通過將冷端與被動輻射制冷技術結合、熱端與SSA技術結合，該結構可實現全天候發電和顯著溫度梯度（ΔT=29.5 K）。因此，作者認為，這一設計策略為高效熱管理提供了一種新的思路。該文共同第一作者為Cheng Chen和Bin Zhao，文章以題為“Janus Helical Ribbon Structure of Ordered Nanowire Films for Flexible Solar Thermoelectric Devices”發布在國際著名期刊Advanced Materials上。

【核心創新點】

1.研究利用PDRC和SSA技術實現了高達29.5K的熱電器件溫度梯度。

  1. 為了將PDRC和SSA技術整合到同一器件上，研究提出了一種雙面神螺旋結構，通過在有序納米線薄膜上進行原位氧化還原反應構建了n型、p型和光熱端。

【圖文解讀】

圖1. 螺旋太陽能熱電帶的原理及制造過程。? 1999-2022 John Wiley & Sons, Inc.

（a）螺旋STE器件的原理和結構；

（b）柔性螺旋STE器件的制造。

圖2. PDRC薄膜的表征和室外測試。?1999-2022 John Wiley & Sons, Inc.

（a）ESR薄膜、PDRC薄膜和銀薄膜的耦合高反射性質；

（b）角分布分析；

（c）對ESR薄膜、PDRC薄膜和銀薄膜的實時測量；

（d）ESR薄膜、PDRC薄膜和銀薄膜在日間的實時溫度；

（e）ESR薄膜、PDRC薄膜和銀薄膜在夜間的實時溫度。

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圖3. SSA薄膜表征。? 1999-2022 John Wiley & Sons, Inc.

（a）碲納米線層SEM側視圖；

（b）Ag2Te線層的低倍SEM；

（c）?Ag2Te線層的高倍SEM；

（d）銀薄膜與碲納米線薄膜的反應示意圖；

（e）SSA、碲納米線薄膜和BB paint薄膜的特征吸收（從紫外到中紅外）；

（f）在一個太陽強度下輻照一段時間的SSA和BB paint薄膜的溫度。

圖4. 室溫下納米線的表征及STE性能?。? 1999-2022 John Wiley & Sons, Inc.

（a）n型Ag2Te納米線的TEM；

（b）p型Cu1.75Te納米線的TEM；

（c）?有序/無序Cu1.75Te納米線薄膜不同反應時間的電導率變化；

（d）有序/無序Ag2Te納米線薄膜不同反應時間的電導率變化；

（e）反應150s后有序/無序納米線的Seebeck系數；

（f）反應150s后有序/無序納米線的功率因子。

圖5. STE室外性能?。? 1999-2022 John Wiley & Sons, Inc.

（a）STE記錄發電實時性能的裝置；

（b）STE器件測量Uoc；

（c）?全天實時Isolar；

（d）相對濕度和周圍溫度；

（e）STE器件室外測量的Uoc數據；

（f）熱電臂的溫度分布；

（g）STE器件的ΔT。

【結論與展望】

總之，該研究通過納米線的原位反應，將PDRC和SSA技術相結合，實現STE的高電力輸出和全天候發電。一方面，冷空間作為一個巨大的散熱器，會引發更多的冷端熱輻射。另一方面，SSA技術則可防止熱端熱量損失到冷空間中。因此，更高（太陽輻射為614 W m-2時為29.5 K）和全天候ΔT將實現更多和持續的電力輸出。研究還指出，工業和建筑廢熱也可以進行很好的利用，這將進一步擴大器件的應用范圍。作者最后還強調，該研究所提出的器件還遠未達到性能極限，如若在采用超高PF-TE材料、優化TE模塊的結構和尺寸、擴大PDRC和SSA的面積等方面能夠進一步完善提升，器件將有望進一步提高。因此，研究認為該工作所提出的策略可以最大限度地捕獲和散發熱量，為實現適應性和高性能發電設備提供了一條全新的途徑。

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文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202206364

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