零碳科技：制冷效率翻倍！納米工程薄膜熱電材料

位于馬里蘭州勞雷爾的約翰霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）的研究人員開發了一種新的、易于制造的固態熱電制冷技術，該技術采用納米工程材料，其效率是使用市售散裝熱電材料制成的設備的兩倍。隨著全球對更節能、更可靠和更緊湊的冷卻解決方案的需求不斷增長，這一進步為傳統的基于壓縮機的制冷提供了一種可擴展的替代方案。

在發表在《自然通訊》上的“Nano-engineeredthin-filmthermoelectricmaterialsenablepracticalsolid-staterefrigeration”中，APL的一組研究人員和三星研究院的制冷工程師證明，由APL發明的高性能納米工程熱電材料，稱為受控分層工程超晶格結構（CHESS），制冷系統的熱泵效率和容量有所提高。DOI：10.1038/s41467-025-59698-y

CHESS技術是APL10年來在先進納米工程熱電材料和應用開發方面的研究成果。該材料最初是為國家安全應用而開發的，后來也被用于假肢的無創冷卻療法，并于2023年獲得了R&D100獎。

這種使用新型熱電材料進行制冷的真實演示展示了納米工程CHESS薄膜的能力它標志著冷卻技術的重大飛躍，并為將熱電材料的進步轉化為實用、大規模、節能的制冷應用奠定了基礎。”

固態冷卻的新基準

在滿足基本制冷需求的縮小系統中，制冷需求與全球應用的傳統機械制冷系統不同。發達國家和發展中國家的制冷需求都在增加，特別是在家庭到醫院環境。迫切需要使制冷設備在大型系統縮小尺寸時更加緊湊、更高效，并在降低制造成本的同時滿足更高的效率標準。傳統的機械制冷系統無法很好地擴展，并且由于使用氫氟碳化物 （HFC） 等化學制冷劑而存在環境問題——它們是溫室氣體 （GHG），其全球變暖潛能值 （GWP） 是二氧化碳 （CO2），泄漏率使問題惡化。

相比之下，固態熱電系統的擴展性非常好，從 1 瓦到 1 kW 級別，因為它們是由固態器件組件制成的。可以根據冷卻需求添加更少或更多的熱電設備，就像鋰離子電池系統一樣——從手機中的幾瓦到電動汽車中的數千瓦系統。此外，固態器件是眾所周知的可靠，因為沒有移動部件，并且由于可以應用可擴展的半導體制造技術，因此可以將成本降低到有競爭力的水平。

熱電冷卻模塊是小型系統的理想冷卻技術，因為它們能夠在不需要制冷劑的情況下提供環保冷卻，并且僅使用簡單的組件即可進行精確、快速的溫度控制。熱電冷卻冰箱具有顯著的優勢，包括快速響應時間、準確的溫度調節和卓越的溫度一致性。這些特性大大減少了達到所需溫度所需的時間，并提高了冰箱內溫度的均勻性。因此，它們可以提高長期儲存食品的保存和新鮮度。此外，該系統的簡單設計提供了靈活性，能夠創建具有新形狀和隔板的創新冷卻設備，為先進的制冷技術鋪平道路。

過去散裝熱電材料用于迷你冰箱等小型設備，但其效率有限、熱泵能力低以及與可擴展半導體芯片制造的不兼容歷來阻礙了它們在高性能系統中的廣泛使用。

在這項研究中，研究人員在標準化制冷測試中比較了使用傳統散裝熱電材料的制冷模塊和使用CHESS薄膜材料的制冷模塊，測量和比較了在同一商用冰箱測試系統中實現不同冷卻水平所需的電功率。三星研究院的生命解決方案團隊由執行副總裁李俊賢領導，與APL合作，通過詳細的熱建模、量化熱負荷和熱阻參數來驗證結果，以確保在真實條件下進行準確的性能評估。

結果令人震驚：使用CHESS材料，APL團隊在室溫（約80華氏度或25攝氏度）下比傳統熱電材料實現了近100%的效率提高。然后，他們將這些材料級收益轉化為使用CHESS材料構建的熱電模塊在設備級效率提高近75%，在完全集成的制冷系統中效率提高70%，每一項都代表著與最先進的體熱電設備的顯著改進。

規模化生產的可能

除了提高效率之外，CHESS薄膜技術使用的材料也大大減少——每個制冷裝置僅使用0.003立方厘米，或大約一粒沙子大小。這種材料的減少意味著APL的熱電材料可以使用半導體芯片生產工具進行大規模生產，從而提高成本效率并實現市場的廣泛采用。

這種薄膜技術有潛力從為小型制冷系統提供動力發展到支持大型建筑暖通空調應用，類似于鋰離子電池被擴展到為小到手機和電動汽車的設備供電的方式。

此外，CHESS材料采用成熟的工藝制成，通常用于制造為衛星和商業LED燈供電的高效太陽能電池。

項目團隊使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）來生產CHESS材料，這種方法以其可擴展性、成本效益和支持大批量制造的能力而聞名，MOCVD已經在商業上得到廣泛應用，使其成為擴大CHESS薄膜熱電材料生產規模的理想選擇。”

除了制冷領域的最新進展外，這些材料和設備還繼續顯示出廣泛的能量收集和電子應用的前景。APL計劃繼續與組織合作，改進CHESS熱電材料，重點是提高效率以接近傳統機械系統。未來的工作包括展示包括冰柜在內的更大規模制冷系統，以及集成人工智能驅動的方法，以優化制冷和暖通空調設備中分區或分布式冷卻的能源效率。

除了制冷之外，CHESS材料還能夠將溫差（如體溫）轉化為可用功率，除了推進下一代觸覺系統、假肢和人機界面外，這還為從計算機到航天器等各種應用的可擴展能量收集技術打開了大門——這些功能對于較舊的笨重熱電設備來說是不可行的。

小結

納米工程CHESS薄膜熱電材料的成功驗證，為其未來廣闊的應用前景奠定了堅實基礎。其發展潛力核心在于將高性能、微型化、可擴展制造和零污染特性完美結合。未來，該技術有望徹底重塑多個領域的溫控解決方案。在家電領域，它不僅可用于開發完全無壓縮機的靜音、模塊化冰箱，更能為空調系統提供按房間或區域精準控溫的分布式冷卻方案，極大提升能效。在電子領域，其極高的熱流密度使其成為解決高性能芯片散熱瓶頸的終極方案，為算力發展掃清障礙。在醫療領域，其精準的溫控能力可用于便攜式醫療冷藏設備、局部低溫治療及疼痛管理等領域。更重要的是，其與半導體工藝兼容的特性意味著它可以通過成熟的MOCVD技術進行晶圓級大規模生產，成本有望快速下降，加速商業化進程。最終，這種固態技術憑借其無可比擬的可靠性，將成為從深海探測到太空任務等極端環境下關鍵設備溫控的首選方案，真正開啟一個高效、靜音、零碳排的固態制冷新時代。