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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).

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

研究背景

全球多地24小時(shí)全天候可靠供電仍是關(guān)鍵挑戰(zhàn)，制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生活質(zhì)量提升，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源供應(yīng)是人類社會(huì)面臨的核心難題。太陽(yáng)能雖清潔且儲(chǔ)量豐富，是理想替代能源，但其固有的間歇性（如晝夜交替、天氣變化）嚴(yán)重限制了依賴太陽(yáng)能系統(tǒng)的全天候連續(xù)運(yùn)行能力?，F(xiàn)有多數(shù)系統(tǒng)（如光伏電池）僅能日間運(yùn)行，夜間需額外儲(chǔ)能設(shè)備，這在偏遠(yuǎn)和離網(wǎng)地區(qū)會(huì)增加成本與復(fù)雜性。而熱電轉(zhuǎn)換憑借溫差發(fā)電的特性，無(wú)需僅依賴陽(yáng)光，熱電發(fā)生器（TEG）可晝夜連續(xù)運(yùn)行且無(wú)需儲(chǔ)能，因此開發(fā)無(wú)儲(chǔ)能、全天候發(fā)電方法對(duì)實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立及擴(kuò)大電力覆蓋至關(guān)重要，這也推動(dòng)了對(duì)創(chuàng)新可持續(xù)能源解決方案的研究。

本研究提出的MXene圖案化自適應(yīng)吸收/發(fā)射體（MX-SAAE）與VO?相變材料結(jié)合的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高效無(wú)儲(chǔ)能全天候光熱電發(fā)電。MXene的局域表面等離激元共振（LSPR）效應(yīng)提升寬帶太陽(yáng)能吸收，VO?借助大氣窗口驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)光譜轉(zhuǎn)換，使系統(tǒng)能在日間低發(fā)射（Low-e）模式與夜間高發(fā)射（High-e）模式間動(dòng)態(tài)切換，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。

研究?jī)?nèi)容

圖一核心展示MX-SAAE（MXene 圖案化自適應(yīng)吸收/發(fā)射器）與TEG（熱電發(fā)生器）結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及晝夜模式切換原理。白天 MX-SAAE 處于低紅外發(fā)射（Low-e）模式，最大化吸收太陽(yáng)輻射（0.3-2.5μm 波段吸收率趨近 1），最小化熱輻射損失；夜晚切換為高紅外發(fā)射（High-e）模式，通過(guò)大氣窗口（8-13μm 波段發(fā)射率趨近 1）實(shí)現(xiàn)輻射冷卻，形成反向溫差驅(qū)動(dòng)TEG 發(fā)電。同時(shí)標(biāo)注了晝夜冷熱源變化（白天土壤為冷源、夜晚為熱源），以及VO?通過(guò)相變（絕緣相/金屬相）實(shí)現(xiàn)模式自適應(yīng)切換的關(guān)鍵作用。

圖1 24小時(shí)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的概念和所需的光譜特性。響應(yīng)于環(huán)境變化，通過(guò)二氧化釩相變自適應(yīng)地切換高-e模式和低-e模式。

圖2清晰呈現(xiàn)MX-SAAE的層狀結(jié)構(gòu)，從上至下依次為MXene光柵層、VO?層、SiO?層、Si?N?層，基底為鎢（W）。標(biāo)注了各層厚度（d?-d?）、MXene 光柵寬度（w）、周期（P）及空氣層半寬度（L，滿足P=w+2L），明確了結(jié)構(gòu)參數(shù)的定義，為后續(xù)多目標(biāo)優(yōu)化（如調(diào)整各層厚度、光柵尺寸）提供了可視化參考，也解釋了材料如何通過(guò)多層協(xié)同實(shí)現(xiàn)光譜調(diào)控。

圖2 MXene圖案化自適應(yīng)吸收/發(fā)射體的三維形態(tài)和x-z視圖示意圖。它由Mxene光柵層和以W為襯底的VO2-SiO_2-Si3N_4多層膜組成。每層的厚度被標(biāo)記為di(i=1，2，3，4，5)，Mxene光柵的寬度被標(biāo)記為w，并且P是周期。

圖3分為太陽(yáng)波段（0.3-2.5μm，a、c、e圖）和紅外波段（5-15μm，b、d、f圖），實(shí)線代表VO?絕緣相（對(duì)應(yīng)夜晚High-e模式），虛線代表VO?金屬相（對(duì)應(yīng)白天Low-e模式），不同子圖對(duì)應(yīng)9種優(yōu)化目標(biāo)權(quán)重組合（如1:1:1:1、1:1:1:3 等）。核心反映權(quán)重變化對(duì)光譜特性的影響：例如1:1:1:3權(quán)重下，VO?絕緣相在8-13μm波段發(fā)射率驟降，說(shuō)明盲目提高某一目標(biāo)權(quán)重可能導(dǎo)致性能惡化，需權(quán)衡各目標(biāo)（太陽(yáng)吸收、紅外發(fā)射）。

圖3在(A)(C)(E)0.3-2.5微米和(B)(D)(F)5-15微米范圍內(nèi)，對(duì)不同重量因數(shù)的光譜吸收/發(fā)射率進(jìn)行了優(yōu)化。

圖4（a-d）為TE/TM偏振下，VO?絕緣相/金屬相的光譜吸收率隨波長(zhǎng)和入射角的變化熱力圖，亮色區(qū)域代表高吸收率；（e-f）為平均吸收率隨入射角的變化曲線。結(jié)果顯示，在0-80°入射角范圍內(nèi)，無(wú)論TE還是TM偏振，MX-SAAE在太陽(yáng)波段的平均吸收率均保持在0.8以上，證明其具備優(yōu)異的角度和偏振不敏感性，可適應(yīng)不同時(shí)段太陽(yáng)入射角度變化，保證白天光吸收穩(wěn)定性。

圖4太陽(yáng)光譜范圍：在(A)(B)TM和(C)(D)TE偏振下，光譜吸收率αi(λ)和αm(λ)作為波長(zhǎng)和入射角的函數(shù)。(E)Tm和(F)TE極化下VO2-i和VO2-m相的平均吸光系數(shù)α溶膠。

圖5選取λ=0.5μm、0.9μm、1.8μm（太陽(yáng)波段）和λ=9.1μm（大氣窗口波段），展示MX-SAAE內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度分布（亮色區(qū)域電場(chǎng)更強(qiáng)）。太陽(yáng)波段中，VO?絕緣相和金屬相的 MXene 光柵間均出現(xiàn)強(qiáng)電場(chǎng)聚焦，源于MXene的局域表面等離激元共振（LSPR）效應(yīng)，解釋了其高太陽(yáng)吸收的物理機(jī)制；而在9.1μm波段，VO?金屬相的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)弱于絕緣相，導(dǎo)致發(fā)射率顯著降低，直觀呈現(xiàn) VO?相變對(duì)紅外發(fā)射的調(diào)控作用。

圖5在λ=0.5μm、λ=0.9μm、λ=1.8μm和λ=9.1μm處的電場(chǎng)分布分別為(A)VO2-I相和(B)VO2-m相。左下軸：x和z方向的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。右軸：電場(chǎng)絕對(duì)值的平方。

圖6分為三部分：（a）TEG 上下表面溫度變化，標(biāo)注了模式切換（Low-e/High-e）、VO?相變時(shí)間點(diǎn)；（b）輸出電壓與電流變化，反映溫差驅(qū)動(dòng)的電能輸出規(guī)律（白天正向、夜晚反向）；（c）輸出功率密度變化，對(duì)比了 MX-SAAE 系統(tǒng)與黑體吸收/發(fā)射系統(tǒng)的性能。關(guān)鍵數(shù)據(jù)包括：3.20白天最大功率密度2508W/m2，夜晚 47 mW/m2；6.21Low-e模式運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)（8.17 小時(shí)）；12.21 因太陽(yáng)輻射不足，系統(tǒng)全天處于High-e模式，但仍實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電，且MX-SAAE系統(tǒng)24小時(shí)總輸出功率顯著高于黑體系統(tǒng)。

圖6(A)頂部和底部溫度；(B)輸出電壓和電流；(C)TEG在24小時(shí)內(nèi)的輸出功率密度。日期：3月20日、6月21日、9月22日和12月21日。地點(diǎn)：哈爾濱市中國(guó)。

結(jié)論與展望

綜上所述，研究人員研發(fā)基于MXene與VO?的MX-SAAE，實(shí)現(xiàn)無(wú)儲(chǔ)能全天候光熱電轉(zhuǎn)換。MXene的LSPR效應(yīng)保障寬波段太陽(yáng)高吸收（0.3-2.5μm平均吸收率0.888-0.896），VO?通過(guò)相變（絕緣相/金屬相）驅(qū)動(dòng)晝夜模式切換（Low-e/High-e），8-13μm波段發(fā)射率可在0.33-0.885間調(diào)控，解決太陽(yáng)能間歇性問(wèn)題。優(yōu)化后的 MX-SAAE 具備優(yōu)異的角度和偏振不敏感性，0-80°入射角下太陽(yáng)吸收與紅外發(fā)射性能穩(wěn)定；基于光熱電耦合跨尺度模型，哈爾濱典型日期測(cè)試顯示，白天最大功率密度達(dá)2508 W/m2，夜晚47 W/m2，24小時(shí)總輸出功率比黑體系統(tǒng)高40892 W/m2，驗(yàn)證了系統(tǒng)高效性與實(shí)用性。未來(lái)可與光伏（PV）技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建PV-MX-SAAE復(fù)合系統(tǒng)，白天同時(shí)利用光伏直接發(fā)電與光熱驅(qū)動(dòng)TEG發(fā)電，夜晚通過(guò)輻射冷卻實(shí)現(xiàn)TEG持續(xù)輸出，進(jìn)一步提升能源利用效率；此外，可探索MX-SAAE在海水淡化、空間管理等領(lǐng)域的跨界應(yīng)用，拓展技術(shù)價(jià)值邊界。