俞书宏团队最新AM： 纳米线薄膜双面神螺旋带结构可用于制造高性能柔性太阳能热电器件

nanoCJ 1年前 (2022-10-09) 1755浏览

【导读】

太阳能热电（STE）器件可在不产生温室气体的情况下将光/热转换成电力。在这一体系中，器件的能量转换效率不仅取决于热电材料，也高度依赖于热电臂上的温度梯度（ΔT）。过去十年里，人们已经开发了多种策略（包括热电臂上实现热阻抗以及在热电器件的冷热两端进行温度管理等）以实现显著的温度梯度。然而，这些策略在大尺寸应用中成本剧增，且还无法在干燥环境中保持较低的冷端（cold side）温度，也就是说，在大尺寸应用中高效维持理想的温度梯度目前来看依然是一个艰巨的挑战。

日间被动辐射制冷（PDRC）技术是一项新兴的可规模化制冷技术。在这一技术中，PDRC材料能够反射几乎全太阳光谱（0.28-2.5 μm）以抑制温度上升，甚至在无需额外能量输入的时候还能达到低于周围温度的水平。因此，通过柔性PDRC薄膜有望增加热电器件冷端的热耗散。与此同时，选择性太阳能吸收技术（SSA）的出现则有利于抬升STE热端（hot side）的温度。因此，将PDRC和SSA技术结合在一起有望获得更大的温度梯度，从而改善STE器件性能。

【成果掠影】

近期，中科大俞书宏教授和刘建伟教授（共同通讯作者）等人设计了一种柔性的三维双面螺旋带结构。在这一结构中，排列良好的碲（Te）纳米线薄膜与Ag+和Cu2+发生原位氧化还原过程，最终在一张薄膜上同时产生n型、p型和光热端。通过将冷端与被动辐射制冷技术结合、热端与SSA技术结合，该结构可实现全天候发电和显著温度梯度（ΔT=29.5 K）。因此，作者认为，这一设计策略为高效热管理提供了一种新的思路。该文共同第一作者为Cheng Chen和Bin Zhao，文章以题为“Janus Helical Ribbon Structure of Ordered Nanowire Films for Flexible Solar Thermoelectric Devices”发布在国际著名期刊Advanced Materials上。

【核心创新点】

1.研究利用PDRC和SSA技术实现了高达29.5K的热电器件温度梯度。

  1. 为了将PDRC和SSA技术整合到同一器件上，研究提出了一种双面神螺旋结构，通过在有序纳米线薄膜上进行原位氧化还原反应构建了n型、p型和光热端。

【图文解读】

图1.螺旋太阳能热电带的原理及制造过程。© 1999-2022 John Wiley & Sons, Inc.

（a）螺旋STE器件的原理和结构；

（b）柔性螺旋STE器件的制造。

图2.PDRC薄膜的表征和室外测试。©1999-2022 John Wiley & Sons, Inc.

（a）ESR薄膜、PDRC薄膜和银薄膜的耦合高反射性质；

（b）角分布分析；

（c）对ESR薄膜、PDRC薄膜和银薄膜的实时测量；

（d）ESR薄膜、PDRC薄膜和银薄膜在日间的实时温度；

（e）ESR薄膜、PDRC薄膜和银薄膜在夜间的实时温度。

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

（a）碲纳米线层SEM侧视图；

（b）Ag2Te线层的低倍SEM；

（c） Ag2Te线层的高倍SEM；

（d）银薄膜与碲纳米线薄膜的反应示意图；

（e）SSA、碲纳米线薄膜和BB paint薄膜的特征吸收（从紫外到中红外）；

（f）在一个太阳强度下辐照一段时间的SSA和BB paint薄膜的温度。

图4.室温下纳米线的表征及STE性能。© 1999-2022 John Wiley & Sons, Inc.

（a）n型Ag2Te纳米线的TEM；

（b）p型Cu1.75Te纳米线的TEM；

（c） 有序/无序Cu1.75Te纳米线薄膜不同反应时间的电导率变化；

（d）有序/无序Ag2Te纳米线薄膜不同反应时间的电导率变化；

（e）反应150s后有序/无序纳米线的Seebeck系数；

（f）反应150s后有序/无序纳米线的功率因子。

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

（a）STE记录发电实时性能的装置；

（b）STE器件测量Uoc；

（c） 全天实时Isolar；

（d）相对湿度和周围温度；

（e）STE器件室外测量的Uoc数据；

（f）热电臂的温度分布；

（g）STE器件的ΔT。

【结论与展望】

总之，该研究通过纳米线的原位反应，将PDRC和SSA技术相结合，实现STE的高电力输出和全天候发电。一方面，冷空间作为一个巨大的散热器，会引发更多的冷端热辐射。另一方面，SSA技术则可防止热端热量损失到冷空间中。因此，更高（太阳辐射为614 W m-2时为29.5 K）和全天候ΔT将实现更多和持续的电力输出。研究还指出，工业和建筑废热也可以进行很好的利用，这将进一步扩大器件的应用范围。作者最后还强调，该研究所提出的器件还远未达到性能极限，如若在采用超高PF-TE材料、优化TE模块的结构和尺寸、扩大PDRC和SSA的面积等方面能够进一步完善提升，器件将有望进一步提高。因此，研究认为该工作所提出的策略可以最大限度地捕获和散发热量，为实现适应性和高性能发电设备提供了一条全新的途径。

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202206364

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