文獻快訊：Nat. Commun. Ag?Se多層設計實現高效光熱-熱電協同轉換

【成果掠影 & 研究背景】

柔性太陽能-熱電發電機（STEG）能夠將太陽光產生的熱量高效轉化為電能，在可穿戴電子設備的自供電領域具有廣闊前景。然而，在單一材料內同時實現優異的光熱轉換性能和熱電性能一直是一個重大挑戰。傳統的STEG通常需要將獨立的光熱轉換層與熱電模塊集成，界面熱損失和工藝復雜性限制了其性能提升。

近日，河北大學、哈爾濱工業大學（深圳）等單位的研究團隊提出了一種全集成解決方案。他們直接利用窄帶隙熱電材料Ag?Se薄膜作為吸光終端，并結合底部紅外反射層與表面可見光抗反射涂層，構建了一種多層結構。該設計實現了太陽光譜選擇性吸收，將Ag?Se的光熱轉換效率提升至87.6%，并獲得了19.6 K的最大溫差。基于此制備的環形柔性STEG在1個太陽光照下功率密度達到0.17 μW cm?2，并在戶外陽光下實現了約1 μW的穩定峰值功率輸出。這項工作為設計高效柔性STEG提供了一種有效策略，并拓寬了窄帶隙熱電薄膜在光熱能量轉換中的應用潛力

【創新點 & 圖文摘要】

創新點：

• 一體化設計

  摒棄了傳統獨立光熱層的設計，直接利用Ag?Se熱電薄膜本身作為吸光終端，實現了光熱轉換與熱電轉換在材料層面的深度融合，減少了界面熱阻。

• 多層光譜管理結構

  創新性地在Ag?Se薄膜底部引入金屬（Ag/W）紅外反射層，表面構筑Al?O?/SiO?雙層減反膜。該結構協同增強了太陽光譜（尤其是可見-近紅外）吸收，同時抑制了中紅外波段的熱輻射損失，從而大幅提升光熱轉換效率。

• 高性能Ag?Se薄膜制備

  通過磁控濺射并調控靶材中Se過量（2 at.%），獲得了高結晶質量、高取向的Ag?Se?.??薄膜，其室溫載流子遷移率高達1414 cm2 V?1 s?1，功率因子達25.7 μW cm?1 K?2，兼具優異的機械柔性。

• 策略的普適性

  該多層增強光熱性能的策略被證明同樣適用于其他窄帶隙熱電薄膜（如Bi?Te?, Sb?Te?, Cu?Se），展示了其廣泛的應用潛力。

• 器件設計與優化

  設計了獨特的環形柔性STEG結構，并通過有限元仿真優化了n/p型腿截面比、光熱終端與熱電腿的長度比等幾何參數，以最大化輸出功率。

• 實際應用驗證

  器件在室外全天候測試中表現出穩定的輸出性能，并能集成到遮陽帽、背包等日常物品上，在真實光照環境下產生可測量的電壓輸出，證明了其可穿戴應用可行性。

圖1：集成STEG的設計與性能概覽。

圖2：Ag?Se薄膜的熱電與機械性能。

圖3：多層設計Ag?Se（MD-Ag?Se）薄膜的結構示意圖與微觀結構。

圖4：MD-Ag?Se薄膜的光熱性能。

圖5：環形STEG的輸出性能。

【總結 & 原文鏈接】

本研究成功展示了一種針對柔性太陽能-熱電發電機的一體化設計策略。該策略的核心在于將窄帶隙熱電薄膜固有的寬帶吸收特性，與多層光譜選擇性吸收結構相結合，從而在單一材料平臺上同步實現了高效的光熱轉換和熱電轉換。所制備的基于Ag?Se的環形柔性器件表現出顯著提升的溫差和功率密度，其設計思路具有普適性，為開發適用于可穿戴電子設備的高性能、可規?；苽涞娜嵝許TEG指明了新方向。

原文鏈接: https://doi.org/10.1038/s41467-026-69120-w

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