深圳大學陳光明教授ACHM：向海星學節能！設計全天候自供能熱電系統，實現晝夜持續發電

全球能源需求持續攀升，傳統化石能源面臨枯竭與環保雙重壓力，開發清潔可持續的新能源技術成為科研界的緊迫使命。熱電材料可通過塞貝克效應直接實現熱 -電轉換，為余熱回收與太陽能利用提供了理想路徑，但間歇性熱源與夜間熱損耗始終制約其效率提升。

近日，深圳大學陳光明教授、杜春雨副研究員團隊受太陽海星（Heliaster helianthus）腕足能量儲存機制啟發，設計出一種徑向熱驅動熱電/相變復合系統，成功實現“白天儲能、夜間發電”的全天候持續供電，為戶外可持續能源供應提供了全新方案。相關論文以“ Bioinspired Thermo-Actuated Thermoelectric/Phase-Change System for All-day Power Generation”為題，發表在Advanced Composites and Hybrid Materials 上。

圖1：全天候太陽能發電機設計示意圖。a.太陽海星節能機制。b.熱電效應。c.形狀記憶效應。d.相變潛熱儲存與釋放機制。

研究團隊首先通過溶液共混與模板澆鑄法制備了PEDOT:PSS/SWCNT復合薄膜。該薄膜同時兼具優異的熱電性能和機械穩定性。基于此，他們以PEI摻雜的復合薄膜為n型腿、SWCNT/PEDOT:PSS復合薄膜為p型腿，組裝了太陽海星式徑向柔性熱電器件，其獨特的輻射狀結構可與相變材料模塊無縫集成，大幅提升傳熱儲熱效率與場景適用性。該器件表現出優異的熱電轉換性能，溫差70 K時輸出功率達3.7 μW，同時具備出色的功率密度、彎曲穩定性（1000次彎曲循環后性能保留98%以上）和空氣穩定性（性能穩定維持一周）。

圖2：TEG性能評估。a.TEG結構示意圖。b.不同溫差下的實時開路電壓響應。c.在10K、30K、50K、70K溫差下輸出功率與電流的關系。d.不同溫差下的功率密度。輸出電壓和輸出功率的e.彎曲穩定性f.時間穩定性。

為了給熱電器件提供穩定熱源以滿足發電需要，研究人員設計制備了兼具光熱效應與循環穩定性的CNT/PW復合相變材料。該材料與熱電器件采用環形集成構型，通過光熱約束和增強的光熱轉換能力構建了優化的熱管理系統，大幅提升冷熱端溫差與能量轉換效率。復合材料展現出寬光譜高效光吸收特性，1個太陽強度下照射15分鐘最高溫度達81.90℃，較純PW提升約32%，且對不同光強度響應快速靈敏。同時DSC測試表明，CNT的引入幾乎不影響PW原有相變行為，50次加熱-冷卻循環后的DSC曲線與首次循環基本重合，此外五次光循環溫度曲線高度一致，循環穩定性優異。實時紅外熱成像照片也說明復合策略較單組分相變材料，能在更短時間內達到更高的溫度，表現出顯著的光熱性能，具備全天候熱源應用潛力。

圖3：光熱增強型相變材料的集成、光熱行為及穩定性表征。a.相變系統與熱電器件集成示意圖。b.復合相變材料的紫外-可見-近紅外吸收光譜。c.PW/CNT與純PW的光熱性能對比。d.PW/CNT對不同光強的溫度響應。e.不同循環次數下PW/CNT復合相變材料的DSC曲線。f.PW/CNT與純PW的相變溫度及焓值變化對比。g.PW/CNT的光熱轉換循環穩定性。h.PW與PW/CNT實時監測的紅外熱成像溫度圖。

此外，研發團隊通過引入鈦鎳合金構建了一種TN/TE熱響應雙層熱電器件，其中熱電層作為功能組件，Ti-Ni合金作為驅動器，憑借優異熱疲勞性能賦予器件獨特熱驅動行為。該雙層構型具備可逆熱響應特性：熱刺激下，Ti-Ni合金借助形狀記憶效應驅動結構水平展開；冷卻時則自發收縮并向內彎曲，這一特性源于熱彈性馬氏體轉變與可逆晶體結構重排—35℃以上形成有序奧氏體相，低于該溫度轉變為彈性馬氏體相，低能壘原子協同運動保障了結構可逆記憶功能。變溫XRD測試證實了晶體結構的溫度依賴性：40℃時以高度有序的奧氏體相為主，20℃時則部分轉變為低對稱性馬氏體相；宏觀上表現為40℃時合金水平展開，20℃時可達到90弧度彎曲極限并完全閉合，重新加熱即可恢復初始狀態。該器件對光源熱刺激響應靈敏且動態可控，受熱時八個p-n分支在Ti-Ni合金驅動下快速展開為水平輻射構型，光源關閉后則隨熱損耗逐漸收縮至室溫彎曲極限。冷卻階段測試顯示，器件自由端切線旋轉角最高可達70°，所有分支同步向內彎曲，紅外熱成像證實了溫度與變形的同步性，充分證明TN/TE雙層薄膜具備熱驅動形狀記憶特性。

圖4：TN/TE雙層膜的熱響應驅動行為。a.TN/TE雙層膜的組裝示意圖。b.TN/TE雙層膜的熱響應機制。c.TN層的變溫XRD表征。d.TN層形狀記憶效應的晶體結構轉變示意圖。e.冷卻階段單支雙層膜、整體器件及相變溫度隨時間的變化。

熱驅動熱電/相變一體化系統，通過三大核心組件構建而成：由柔性熱電薄膜與Ti-Ni合金薄片組成的熱響應熱電器件和CNT/PW光熱增強型相變材料，兩大功能模塊的協同集成作用，成功突破太陽能利用的間歇性瓶頸，實現全天候穩定發電。該系統在1個太陽輻照下表現出優異性能，Ti-Ni合金無顯著光熱與導熱效應，可有效保障熱電器件冷熱端溫差穩定；100 mW cm-2模擬太陽光照射時，器件隨p-n腿開合呈現靈敏溫度響應與穩定電壓輸出，日間通過太陽能-熱能-電能的高效轉換與儲熱，夜間依靠相變材料釋熱維持溫差，實現持續發電。為解決夜間熱量流失問題，系統依托Ti-Ni熱響應薄膜的彎曲閉合特性打造創新保溫策略：200 mW cm-2模擬太陽光照射15分鐘后，在保溫泡沫輔助下，無太陽能輸入時相變材料可維持高于環境溫度125分鐘；閉合結構比展開型溫度高出約3℃，降溫延遲1700 s，儲熱效率大幅提升。冷卻階段，閉合器件相較于無合金器件可額外維持5 K溫差和3 mV穩定電壓輸出，彰顯卓越熱管理能力。戶外24小時測試充分驗證了該系統的全天候性能：日間平均溫差15.44℃、平均開路電壓8.03 mV，最大溫差達28.64℃、最大開路電壓14.89 mV；夜間仍能維持6.21℃平均溫差、3.23 mV平均開路電壓，徹底克服太陽能利用的波動性與時間限制，為戶外綠色供電場景提供了新穎實用的解決方案。

圖5：一體式熱電系統的組裝及性能測試。a.一體式熱電系統組裝及太陽響應示意圖。b.熱電系統p-n腿開合對應的實時溫差和輸出電壓變化。含/不含TN層的兩種熱電系統：c.溫度-時間曲線d.冷卻階段溫度延遲效應；e.相同照射時間下的溫度變化f.電壓變化。一體式熱電系統戶外真實環境測試：g.日間與夜間實物照片h.測試當天的輻照度與相對濕度i.冷熱端溫度數據j.實時開路電壓。

綜上所述，該研究受太陽海星腕足能量儲存機制啟發，設計并構建了一種集成式太陽能熱電發電系統，實現了太陽能的高效利用與全天候發電，為戶外可持續綠色供電提供了全新策略。