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科研进展

2022年11月09日
中国科大研制一种新型Janus螺旋结构纳米线组装体光热电器件

目前我国在能量利用中,有大约60%的能量以废热的形式损耗。如何有效利用这些废热,是一个亟待解决的问题。光热电(STE)器件不仅能将废热很好的转化,还能利用光热效应来进一步提高发电效率。除了选择热优值更大的热电材料外,电能输出功率也取决于STE器件两端的温差。

近日,中国科学技术大学俞书宏院士团队研制了一种新型柔性Janus螺旋结构的纳米线组装体光热电器件,研究成果以题为“Janus Helical Ribbon Structure of Ordered Nanowire Films for Flexible Solar Thermoelectric Devices”发表在Advanced Materials上。化学与材料科学学院博士研究生陈诚与工程学院特任副研究员赵斌为本文共同第一作者,刘建伟特任教授和俞书宏院士为本文的通讯作者。

在该项工作中,研究人员发展了一种将辐射冷却和选择性光谱吸收材料协同利用的策略。当器件处于阳光照射下时,顶部辐射冷却层可以将阳光最大程度的反射来减小光热效应,同时与温度为3K的宇宙深空进行辐射换热,产生一个较低的温度而不需要外接冷却装置。另一方面,器件底端的选择性太阳能吸收层则在最大化吸收太阳光的同时,减少热量的辐射热损失(图1)。

图1.柔性太阳能热电器件的结构与原理示意图。

为了制备出这种Janus器件,研究人员在辐射冷却材料的背面组装一层有序的碲纳米线薄膜,随后利用原位阳离子交换反应形成一端是p型碲化亚铜纳米线和一端是n型碲化银纳米线的异质结阵列。随后将阵列螺旋化得到Janus螺旋STE器件(图2)。

图2.Janus螺旋STE器件的制备流程。

图3.柔性光热电器件的户外测试。a.柔性STE器件的测试装置实物图;b.柔性STE器件测试装置原理图; c.全天实时的光照强度;d.相对湿度和环境温度;e.器件的输出电压;f.有限元模拟展示器件表面在614 W/m2的光照强度下的温度分布;g.柔性STE器件两端温差与其他文献的对比。

研究人员还将制备好的器件置于户外测试,发现在中午约0.6个太阳光的光照下,这种Janus螺旋STE器件两端可以产生将近30K的温差。当器件处于阳光照射下时,顶部辐射冷却层可以将阳光最大程度的反射来减小光热效应,同时与温度为3K的宇宙深空进行辐射换热,产生一个较低的温度而不需要外接冷却装置。另一方面,器件底端的选择性太阳能吸收层则在最大化吸收太阳光的同时,减少热量的辐射热损失。不同于绝大多数光热电器件,这种器件的光热端因设置在底部,使其具有和废热协同发电的潜力。此外,由于器件两端辐射率很大的差异,使其在夜间仍然具有一定的温差来进行发电。因此,这种器件的结构可以在不耗费额外能量的同时,以一种柔性结构最大限度地捕获和耗散热量,为实现普适性和高性能热电器件设计提供了一种新的途径。

本工作受到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、安徽省高校协同创新计划、安徽省科技重大专项等资助。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202206364


(合肥微尺度物质科学研究中心、化学与材料科学学院、科研部)

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