OE：基于MXene自适应吸收/发射的全天候光电转换系统

论文信息：

Wen-Wen Zhang, Wen-Zhi Wu, All-weather photothermal-electric conversion system with multimodal modulation based on an MXene patterned self-adaptive absorber/emitter, Optics Express 33, 50581(2025).

论文链接：

https://doi.org/10.1364/OE.579693

研究背景

全球多地24小时全天候可靠供电仍是关键挑战，制约社会经济发展与生活质量提升，实现可持续能源供应是人类社会面临的核心难题。太阳能虽清洁且储量丰富，是理想替代能源，但其固有的间歇性（如昼夜交替、天气变化）严重限制了依赖太阳能系统的全天候连续运行能力。现有多数系统（如光伏电池）仅能日间运行，夜间需额外储能设备，这在偏远和离网地区会增加成本与复杂性。而热电转换凭借温差发电的特性，无需仅依赖阳光，热电发生器（TEG）可昼夜连续运行且无需储能，因此开发无储能、全天候发电方法对实现能源独立及扩大电力覆盖至关重要，这也推动了对创新可持续能源解决方案的研究。

本研究提出的MXene图案化自适应吸收/发射体（MX-SAAE）与VO₂相变材料结合的系统，实现了高效无储能全天候光热电发电。MXene的局域表面等离激元共振（LSPR）效应提升宽带太阳能吸收，VO₂借助大气窗口驱动自适应光谱转换，使系统能在日间低发射（Low-e）模式与夜间高发射（High-e）模式间动态切换，实现连续运行。

研究内容

图一核心展示MX-SAAE（MXene 图案化自适应吸收/发射器）与TEG（热电发生器）结合的系统结构，以及昼夜模式切换原理。白天 MX-SAAE 处于低红外发射（Low-e）模式，最大化吸收太阳辐射（0.3-2.5μm 波段吸收率趋近 1），最小化热辐射损失；夜晚切换为高红外发射（High-e）模式，通过大气窗口（8-13μm 波段发射率趋近 1）实现辐射冷却，形成反向温差驱动TEG 发电。同时标注了昼夜冷热源变化（白天土壤为冷源、夜晚为热源），以及VO₂通过相变（绝缘相/金属相）实现模式自适应切换的关键作用。

图1 24小时光电转换系统的概念和所需的光谱特性。响应于环境变化，通过二氧化钒相变自适应地切换高-e模式和低-e模式。

图2清晰呈现MX-SAAE的层状结构，从上至下依次为MXene光栅层、VO₂层、SiO₂层、Si₃N₄层，基底为钨（W）。标注了各层厚度（d₁-d₅）、MXene 光栅宽度（w）、周期（P）及空气层半宽度（L，满足P=w+2L），明确了结构参数的定义，为后续多目标优化（如调整各层厚度、光栅尺寸）提供了可视化参考，也解释了材料如何通过多层协同实现光谱调控。

图2 MXene图案化自适应吸收/发射体的三维形态和x-z视图示意图。它由Mxene光栅层和以W为衬底的VO2-SiO_2-Si3N_4多层膜组成。每层的厚度被标记为di(i=1，2，3，4，5)，Mxene光栅的宽度被标记为w，并且P是周期。

图3分为太阳波段（0.3-2.5μm，a、c、e图）和红外波段（5-15μm，b、d、f图），实线代表VO₂绝缘相（对应夜晚High-e模式），虚线代表VO₂金属相（对应白天Low-e模式），不同子图对应9种优化目标权重组合（如1:1:1:1、1:1:1:3 等）。核心反映权重变化对光谱特性的影响：例如1:1:1:3权重下，VO₂绝缘相在8-13μm波段发射率骤降，说明盲目提高某一目标权重可能导致性能恶化，需权衡各目标（太阳吸收、红外发射）。

图3在(A)(C)(E)0.3-2.5微米和(B)(D)(F)5-15微米范围内，对不同重量因数的光谱吸收/发射率进行了优化。

图4（a-d）为TE/TM偏振下，VO₂绝缘相/金属相的光谱吸收率随波长和入射角的变化热力图，亮色区域代表高吸收率；（e-f）为平均吸收率随入射角的变化曲线。结果显示，在0-80°入射角范围内，无论TE还是TM偏振，MX-SAAE在太阳波段的平均吸收率均保持在0.8以上，证明其具备优异的角度和偏振不敏感性，可适应不同时段太阳入射角度变化，保证白天光吸收稳定性。

图4太阳光谱范围：在(A)(B)TM和(C)(D)TE偏振下，光谱吸收率αi(λ)和αm(λ)作为波长和入射角的函数。(E)Tm和(F)TE极化下VO2-i和VO2-m相的平均吸光系数α溶胶。

图5选取λ=0.5μm、0.9μm、1.8μm（太阳波段）和λ=9.1μm（大气窗口波段），展示MX-SAAE内部电场强度分布（亮色区域电场更强）。太阳波段中，VO₂绝缘相和金属相的 MXene 光栅间均出现强电场聚焦，源于MXene的局域表面等离激元共振（LSPR）效应，解释了其高太阳吸收的物理机制；而在9.1μm波段，VO₂金属相的电场强度远弱于绝缘相，导致发射率显著降低，直观呈现 VO₂相变对红外发射的调控作用。

图5在λ=0.5µm、λ=0.9µm、λ=1.8µm和λ=9.1µm处的电场分布分别为(A)VO2-I相和(B)VO2-m相。左下轴：x和z方向的结构尺寸参数。右轴：电场绝对值的平方。

图6分为三部分：（a）TEG 上下表面温度变化，标注了模式切换（Low-e/High-e）、VO₂相变时间点；（b）输出电压与电流变化，反映温差驱动的电能输出规律（白天正向、夜晚反向）；（c）输出功率密度变化，对比了 MX-SAAE 系统与黑体吸收/发射系统的性能。关键数据包括：3.20白天最大功率密度2508W/m²，夜晚 47 mW/m²；6.21Low-e模式运行时间最长（8.17 小时）；12.21 因太阳辐射不足，系统全天处于High-e模式，但仍实现温差发电，且MX-SAAE系统24小时总输出功率显著高于黑体系统。

图6(A)顶部和底部温度；(B)输出电压和电流；(C)TEG在24小时内的输出功率密度。日期：3月20日、6月21日、9月22日和12月21日。地点：哈尔滨市中国。

结论与展望

综上所述，研究人员研发基于MXene与VO₂的MX-SAAE，实现无储能全天候光热电转换。MXene的LSPR效应保障宽波段太阳高吸收（0.3-2.5μm平均吸收率0.888-0.896），VO₂通过相变（绝缘相/金属相）驱动昼夜模式切换（Low-e/High-e），8-13μm波段发射率可在0.33-0.885间调控，解决太阳能间歇性问题。优化后的 MX-SAAE 具备优异的角度和偏振不敏感性，0-80°入射角下太阳吸收与红外发射性能稳定；基于光热电耦合跨尺度模型，哈尔滨典型日期测试显示，白天最大功率密度达2508 W/m²，夜晚47 W/m²，24小时总输出功率比黑体系统高40892 W/m²，验证了系统高效性与实用性。未来可与光伏（PV）技术结合，构建PV-MX-SAAE复合系统，白天同时利用光伏直接发电与光热驱动TEG发电，夜晚通过辐射冷却实现TEG持续输出，进一步提升能源利用效率；此外，可探索MX-SAAE在海水淡化、空间管理等领域的跨界应用，拓展技术价值边界。