文献快讯：Nat. Commun. Ag₂Se多层设计实现高效光热-热电协同转换

【成果掠影 & 研究背景】

柔性太阳能-热电发电机（STEG）能够将太阳光产生的热量高效转化为电能，在可穿戴电子设备的自供电领域具有广阔前景。然而，在单一材料内同时实现优异的光热转换性能和热电性能一直是一个重大挑战。传统的STEG通常需要将独立的光热转换层与热电模块集成，界面热损失和工艺复杂性限制了其性能提升。

近日，河北大学、哈尔滨工业大学（深圳）等单位的研究团队提出了一种全集成解决方案。他们直接利用窄带隙热电材料Ag₂Se薄膜作为吸光终端，并结合底部红外反射层与表面可见光抗反射涂层，构建了一种多层结构。该设计实现了太阳光谱选择性吸收，将Ag₂Se的光热转换效率提升至87.6%，并获得了19.6 K的最大温差。基于此制备的环形柔性STEG在1个太阳光照下功率密度达到0.17 µW cm⁻²，并在户外阳光下实现了约1 µW的稳定峰值功率输出。这项工作为设计高效柔性STEG提供了一种有效策略，并拓宽了窄带隙热电薄膜在光热能量转换中的应用潜力

【创新点 & 图文摘要】

创新点：

• 一体化设计

  摒弃了传统独立光热层的设计，直接利用Ag₂Se热电薄膜本身作为吸光终端，实现了光热转换与热电转换在材料层面的深度融合，减少了界面热阻。

• 多层光谱管理结构

  创新性地在Ag₂Se薄膜底部引入金属（Ag/W）红外反射层，表面构筑Al₂O₃/SiO₂双层减反膜。该结构协同增强了太阳光谱（尤其是可见-近红外）吸收，同时抑制了中红外波段的热辐射损失，从而大幅提升光热转换效率。

• 高性能Ag₂Se薄膜制备

  通过磁控溅射并调控靶材中Se过量（2 at.%），获得了高结晶质量、高取向的Ag₂Se₁.₀₂薄膜，其室温载流子迁移率高达1414 cm² V⁻¹ s⁻¹，功率因子达25.7 µW cm⁻¹ K⁻²，兼具优异的机械柔性。

• 策略的普适性

  该多层增强光热性能的策略被证明同样适用于其他窄带隙热电薄膜（如Bi₂Te₃, Sb₂Te₃, Cu₂Se），展示了其广泛的应用潜力。

• 器件设计与优化

  设计了独特的环形柔性STEG结构，并通过有限元仿真优化了n/p型腿截面比、光热终端与热电腿的长度比等几何参数，以最大化输出功率。

• 实际应用验证

  器件在室外全天候测试中表现出稳定的输出性能，并能集成到遮阳帽、背包等日常物品上，在真实光照环境下产生可测量的电压输出，证明了其可穿戴应用可行性。

图1：集成STEG的设计与性能概览。

图2：Ag₂Se薄膜的热电与机械性能。

图3：多层设计Ag₂Se（MD-Ag₂Se）薄膜的结构示意图与微观结构。

图4：MD-Ag₂Se薄膜的光热性能。

图5：环形STEG的输出性能。

【总结 & 原文链接】

本研究成功展示了一种针对柔性太阳能-热电发电机的一体化设计策略。该策略的核心在于将窄带隙热电薄膜固有的宽带吸收特性，与多层光谱选择性吸收结构相结合，从而在单一材料平台上同步实现了高效的光热转换和热电转换。所制备的基于Ag₂Se的环形柔性器件表现出显著提升的温差和功率密度，其设计思路具有普适性，为开发适用于可穿戴电子设备的高性能、可规模化制备的柔性STEG指明了新方向。

原文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-026-69120-w

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