目前我國(guó)在能量利用中，有大約60%的能量以廢熱的形式損耗。如何有效利用這些廢熱，是一個(gè)亟待解決的問題。光熱電（STE）器件不僅能將廢熱很好的轉(zhuǎn)化，還能利用光熱效應(yīng)來進(jìn)一步提高發(fā)電效率。除了選擇熱優(yōu)值更大的熱電材料外，電能輸出功率也取決于STE器件兩端的溫差。

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)研制了一種新型柔性Janus螺旋結(jié)構(gòu)的納米線組裝體光熱電器件，研究成果以題為“Janus Helical Ribbon Structure of Ordered Nanowire Films for Flexible Solar Thermoelectric Devices”發(fā)表在Advanced Materials上�；瘜W(xué)與材料科學(xué)學(xué)院博士研究生陳誠(chéng)與工程學(xué)院特任副研究員趙斌為本文共同第一作者，劉建偉特任教授和俞書宏院士為本文的通訊作者。

在該項(xiàng)工作中，研究人員發(fā)展了一種將輻射冷卻和選擇性光譜吸收材料協(xié)同利用的策略。當(dāng)器件處于陽(yáng)光照射下時(shí)，頂部輻射冷卻層可以將陽(yáng)光最大程度的反射來減小光熱效應(yīng)，同時(shí)與溫度為3K的宇宙深空進(jìn)行輻射換熱，產(chǎn)生一個(gè)較低的溫度而不需要外接冷卻裝置。另一方面，器件底端的選擇性太陽(yáng)能吸收層則在最大化吸收太陽(yáng)光的同時(shí)，減少熱量的輻射熱損失（圖1）。

圖1.柔性太陽(yáng)能熱電器件的結(jié)構(gòu)與原理示意圖。

為了制備出這種Janus器件，研究人員在輻射冷卻材料的背面組裝一層有序的碲納米線薄膜，隨后利用原位陽(yáng)離子交換反應(yīng)形成一端是p型碲化亞銅納米線和一端是n型碲化銀納米線的異質(zhì)結(jié)陣列。隨后將陣列螺旋化得到Janus螺旋STE器件（圖2）。

圖2.Janus螺旋STE器件的制備流程。

圖3.柔性光熱電器件的戶外測(cè)試。a.柔性STE器件的測(cè)試裝置實(shí)物圖；b.柔性STE器件測(cè)試裝置原理圖； c.全天實(shí)時(shí)的光照強(qiáng)度；d.相對(duì)濕度和環(huán)境溫度；e.器件的輸出電壓；f.有限元模擬展示器件表面在614 W/m2的光照強(qiáng)度下的溫度分布；g.柔性STE器件兩端溫差與其他文獻(xiàn)的對(duì)比。

研究人員還將制備好的器件置于戶外測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在中午約0.6個(gè)太陽(yáng)光的光照下，這種Janus螺旋STE器件兩端可以產(chǎn)生將近30K的溫差。當(dāng)器件處于陽(yáng)光照射下時(shí)，頂部輻射冷卻層可以將陽(yáng)光最大程度的反射來減小光熱效應(yīng)，同時(shí)與溫度為3K的宇宙深空進(jìn)行輻射換熱，產(chǎn)生一個(gè)較低的溫度而不需要外接冷卻裝置。另一方面，器件底端的選擇性太陽(yáng)能吸收層則在最大化吸收太陽(yáng)光的同時(shí)，減少熱量的輻射熱損失。不同于絕大多數(shù)光熱電器件，這種器件的光熱端因設(shè)置在底部，使其具有和廢熱協(xié)同發(fā)電的潛力。此外，由于器件兩端輻射率很大的差異，使其在夜間仍然具有一定的溫差來進(jìn)行發(fā)電。因此，這種器件的結(jié)構(gòu)可以在不耗費(fèi)額外能量的同時(shí)，以一種柔性結(jié)構(gòu)最大限度地捕獲和耗散熱量，為實(shí)現(xiàn)普適性和高性能熱電器件設(shè)計(jì)提供了一種新的途徑。

本工作受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、安徽省高校協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃、安徽省科技重大專項(xiàng)等資助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202206364