华侨大学蒋妮娜&中山大学邵磊: 一种用于太阳能光热电发生器的Janus光热/定向导热膜

背景介绍

全球能源危机加速了清洁和可再生能源的推广。太阳能发电可通过光伏电池或太阳能热电发生器（STEGs）实现。尽管STEGs的效率相对较低，但它们能更广泛地利用太阳能谱，不受光子能量的限制，并能承受由于热电材料固有性质引起的高温，满足如可穿戴电子设备等便携式应用的需求。典型的STEG包括太阳能吸收器、热电发生器（TEG）和冷却模块。冷却模块负责冷却TEG的冷端，太阳能吸收器则将太阳辐射产生的热量传递到TEG的热端。热端和冷端之间的温差（ΔT）由塞贝克效应产生电能。ΔT和热电材料的无量纲优值（zT）决定了太阳能-热-电转换效率。随着高zT热电材料在商业TEG生产中的广泛应用，研究重点转向提高ΔT。然而，在AM 1.5标准太阳光条件下，以最小的太阳辐射流量实现显著的ΔT，是一项固有挑战。

将大型太阳能吸收板捕获的热量导向小型热电元件，是提高ΔT的实际方法。为实现高热集中，大型板式热集中器作为太阳能吸收器，与小型定制热电元件结合。然而，在这种热量集中下，由于太阳能吸收器向空气中的对流和辐射热耗散，损失仍然存在。在此背景下，研究了光谱选择性吸收器，以减少热损失。与探索光谱选择性吸收器相比，使用玻璃外壳将STEG封装在真空中，是更有效的抑制热损失方法。然而，扩大STEG规模或使用大型商业TEG满足实际需求，会导致生产成本和重量的大幅增加。因此，简单高效地最小化太阳能吸收器的热损失，一直是基于热量集中策略设计高性能STEG的关键任务。

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成果掠影

近日，华侨大学蒋妮娜团队联合中山大学邵磊团队开发了一种Janus光热膜，该光热膜由单层（金纳米棒核）/（银钯双金属壳）纳米结构（记为Au@AgPd）和PVA膜组成。当Janus膜进行热取向后，Au@AgPd纳米结构沿拉伸方向排列，在PVA表面形成粒子-空腔结构（如图1 b）。这种定向粒子-空腔等离子体表面赋予了Janus膜光热转换、方向性热传递和微米级热局部化的功能。Janus薄膜展示了令人印象深刻的平面内热导率（约12 W m−1 K−1），且热导填料的负载相对较低（0.37 wt %的Au@AgPd），优于许多报道的含热导填料的聚合物膜。将Janus光热膜与商业TEG集成，实现了对小尺寸热电表面的热集中，并同时减少了STEG的热端在空气中的热损失（如图1 b）。此外，Janus光热膜可无缝整合到传统STEG中，其中碳墨水作为主要太阳能吸收器。这种新构建的STEG在自然阳光下实现了404 mV的开路电压和1.3 W m−2的最大输出功率密度，这比单独使用碳墨水或Janus膜的STEG的总功率密度高出18%。因此，独特的Janus光热膜，不仅作为具有热量管理功能的太阳能吸收器，还能与其他太阳能吸收器有效协同。它们可以根据实际需求进行规模化生产，并与大型商业TEG结合。研究成果以“Janus Photothermal Films with Orientated Plasmonic Particle-in Cavity Surfaces Enabling Heat Control in Solar-Thermal-Electric Generators”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊。

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图文导读

图1. STEG的结构。（a）具有热量管理功能的传统STEG示意图。STEG由一个大板太阳能吸收器和一对小型的实验室自制热电元件组成。（b）由具有定向粒子-空腔表面的Au@AgPd/PVA Janus光热膜和商业TEG组STEG示意图。

图2. 具有定向粒子-空腔表面的Au@AgPd/PVA Janus膜的形貌结构表征。

图3. Janus膜通过定向粒子-空腔表面实现的方向性热传递性能。

图4. Au@AgPd的颗粒密度、面内取向以及入射方向对Janus膜光热转换性能的影响。

图5. 基于具有定向粒子-空腔结构的Au@AgPd/PVA Janus膜的STEG的太阳能-热能-电能转换性能。

热辐射与微纳光子学