隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的快速發(fā)展，全球數(shù)十億低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)的能源需求日益增長，傳統(tǒng)電池供電方式存在維護(hù)成本高、可持續(xù)性差等問題。太陽能熱電發(fā)電機(jī)（STEG）能夠?qū)⒔ㄖ砻嫖盏奶柲苻D(zhuǎn)化為電能，為分布式傳感器提供自主能源，但其性能受限于溫度梯度（ΔT）的建立與維持。現(xiàn)有STEG結(jié)構(gòu)多為平面或垂直布局，存在熱損失嚴(yán)重、光學(xué)干擾顯著等問題，制約了其實(shí)際應(yīng)用潛力。

近日，深圳大學(xué)陳光明教授、杜春雨副研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種基于折紙結(jié)構(gòu)的輻射調(diào)制型太陽能熱電發(fā)電機(jī)，成功將被動(dòng)輻射冷卻（PRC）與選擇性太陽能吸收（SSA）層集成于可折疊器件中，實(shí)現(xiàn)了晝夜連續(xù)的能量收集。該器件在標(biāo)準(zhǔn)太陽光強(qiáng)度下可實(shí)現(xiàn)46.5 K的溫度梯度與4.7 W/m2的功率密度，性能顯著優(yōu)于以往報(bào)道的STEG裝置。相關(guān)論文以“Radiation-Modulated Origami-Based Thermoelectric Generator for Continuous Solar Energy Harvesting”為題，發(fā)表在

Advanced Functional Materials

圖1. STEG裝置示意圖與輻射調(diào)制原理 a) 折紙STE器件結(jié)構(gòu)示意圖 b) PRC薄膜與SSA薄膜之間ΔT的形成原理示意圖

研究團(tuán)隊(duì)首先制備了具有高太陽反射率（Rsolar=96.1%）和中紅外發(fā)射率（eMIR=92.7%）的多孔PRC薄膜，以及具有高太陽吸收率（esolar=98.2%）和低中紅外發(fā)射率（eMIR=6.3%）的SSA薄膜。兩者在室內(nèi)外測試中表現(xiàn)出優(yōu)異的熱調(diào)節(jié)能力，白天最大ΔT達(dá)57.9 K，夜間仍能維持3.6 K的溫差，具備持續(xù)工作的潛力。

圖2. PRC與SSA薄膜的表征 a) PRC薄膜（i）和SSA薄膜（ii）的結(jié)構(gòu)示意圖 b) PRC薄膜的反射率與發(fā)射率光譜，插圖中紅色區(qū)域?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)化AM1.5太陽光譜，藍(lán)色區(qū)域?yàn)榇髿馔该鞔翱?c) PRC薄膜在15–75°入射角下的反射率分布 d) 白天的凈冷卻功率 e) SSA薄膜的吸收率與發(fā)射率光譜 f) SSA薄膜在不同入射角下的太陽吸收率 g) 在1 sun光照下SSA層、黑漆、PRC層和白漆的溫度測量結(jié)果 h) PRC和SSA薄膜在1 sun光照下的8次加熱-冷卻循環(huán)測試 i) PRC和SSA薄膜的實(shí)時(shí)戶外溫度測量結(jié)果

通過將p型與n型碳納米管（CNT）熱電薄膜交替印刷于柔性紙質(zhì)基底，并沿預(yù)設(shè)計(jì)折痕折疊成三維結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建出具有交替凹凸面的折紙熱電發(fā)電機(jī)。該結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了熱端的有效隔離，還使PRC與SSA層能同時(shí)面向太陽，避免相互遮擋。實(shí)驗(yàn)表明，在60 K的溫差下，12對熱電偶的器件開路電壓達(dá)56.4 mV，功率密度為8.4 W/m2，且在700次折疊循環(huán)后仍保持穩(wěn)定的電輸出。

圖3. 折紙TEG的熱電性能 a) 輸出電壓隨折疊角度和ΔT的變化 b) 輸出電壓隨熱電偶對數(shù)和ΔT的變化 c) 輸出電壓隨溫度的變化關(guān)系 d) 短路電流與輸出電壓在ΔT為10–60 K時(shí)的變化 e) 輸出功率與輸出電壓在ΔT為10–60 K時(shí)的變化 f) 外部電阻與輸出功率在ΔT為10–60 K時(shí)的變化 g) 功率密度和歸一化功率密度隨ΔT的變化 h) 循環(huán)折疊條件下的電壓變化 i) 循環(huán)彎曲條件下的電阻變化

借助COMSOL多物理場仿真，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析了器件在不同折疊角度下的熱場與電勢分布。模擬結(jié)果顯示，90°折疊時(shí)ΔT最高達(dá)36.7 K，開路電壓為32 mV，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。與傳統(tǒng)鋁箔和黑漆涂層相比，光譜選擇性材料帶來的溫差提升達(dá)11.9 K，凸顯其優(yōu)勢。

圖4. 折紙STE器件的COMSOL有限元模擬 a) 不同εsolar的SSA薄膜發(fā)射光譜與不同Rsolar 的PRC薄膜反射光譜 b) 不同PRC的Rsolar和SSA的εsolar下的溫度分布圖 c) 90°折疊時(shí)STE器件的模擬溫度場 d) 使用鋁箔（冷端）與黑漆（熱端）的溫度場對比分析 e) 90°折疊時(shí)STE器件的模擬電勢場 f) 不同折疊角度（30°、60°、90°）下的ΔT與電壓變化

在實(shí)際器件測試中，折紙STEG在模擬太陽光下表現(xiàn)出40.2 mV的開路電壓，顯著高于僅使用PRC或SSA的配置。其輸出電壓隨光照強(qiáng)度呈比例增長，在1 sun光照下達(dá)41.6 mV，且在不同入射角下仍具良好適應(yīng)性。戶外實(shí)測中，器件在白晝峰值電壓為28.1 mV，夜間仍能輸出7.7 mV，實(shí)現(xiàn)了全天候連續(xù)發(fā)電。

圖5. 折紙STE器件在模擬AM 1.5G氙燈照射下的輸出性能 a) 制備的折紙STE器件示意圖 b) 室內(nèi)測試系統(tǒng)示意圖 c) 折紙STE器件的紅外熱成像圖 d) PRC與SSA層對輸出電壓的影響 e) 不同結(jié)構(gòu)STE器件的輸出電壓對比 f) 在不同太陽光強(qiáng)度（0.6–1.2 sun）和入射角下的電壓輸出 g) 循環(huán)測試中ΔT與輸出電壓的變化 h) 在1.0 sun光照下的功率、電壓與電流特性 i) 不同太陽輻照度下STE器件的ΔT與以往報(bào)道數(shù)據(jù)的對比

此外，該折紙結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出良好的機(jī)械柔性與可擴(kuò)展性，可貼合圓柱、墻角等非平面表面工作，適用于建筑外墻、管道等多種場景。估算表明，1平方米的折紙STEG可集成約840對熱電偶，折疊后占用面積減少74.3%，在46.5 K溫差下可實(shí)現(xiàn)2.90 V開路電壓和11.98 W/m2的功率密度，具備大規(guī)模應(yīng)用前景。

圖6. 折紙STE器件的應(yīng)用展示 a) 戶外輸出電壓測量示意圖 b) 折紙STE器件的實(shí)時(shí)電壓輸出曲線，插圖為夜間輸出 c) 建筑屋頂能量收集模型中的STE器件示意圖 d) 折紙STE器件在非平面表面的能量收集（i圓柱面，ii傾斜面） e) 折紙STE器件的可擴(kuò)展性展示

該研究通過巧妙的折紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與光譜調(diào)控策略，成功實(shí)現(xiàn)了高效、連續(xù)、可擴(kuò)展的太陽能熱電轉(zhuǎn)換，為建筑一體化能源收集和低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的自供電提供了新的技術(shù)路徑。

來源：高分子科學(xué)前沿

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