深圳大学陈光明、杜春雨AFM：折纸结构热电器件实现昼夜连续太阳能收集，输出性能创新高

摘要：随着物联网（IoT）技术的快速发展，全球数十亿低功耗传感器节点的能源需求日益增长，传统电池供电方式存在维护成本高、可持续性差等问题。太阳能热电发电机（STEG）能够将建筑表面吸收的太阳能转化为电能，为分布式传感器提供自主能源，但其性能受限于温度梯度（ΔT）的建

随着物联网（IoT）技术的快速发展，全球数十亿低功耗传感器节点的能源需求日益增长，传统电池供电方式存在维护成本高、可持续性差等问题。太阳能热电发电机（STEG）能够将建筑表面吸收的太阳能转化为电能，为分布式传感器提供自主能源，但其性能受限于温度梯度（ΔT）的建立与维持。现有STEG结构多为平面或垂直布局，存在热损失严重、光学干扰显著等问题，制约了其实际应用潜力。

近日，深圳大学陈光明教授、杜春雨副研究员团队开发出一种基于折纸结构的辐射调制型太阳能热电发电机，成功将被动辐射冷却（PRC）与选择性太阳能吸收（SSA）层集成于可折叠器件中，实现了昼夜连续的能量收集。该器件在标准太阳光强度下可实现46.5 K的温度梯度与4.7 W/m²的功率密度，性能显著优于以往报道的STEG装置。相关论文以“Radiation-Modulated Origami-Based Thermoelectric Generator for Continuous Solar Energy Harvesting”为题，发表在

Advanced Functional Materials上，论文第一作者为Sun Qi。

图1. STEG装置示意图与辐射调制原理 a) 折纸STE器件结构示意图 b) PRC薄膜与SSA薄膜之间ΔT的形成原理示意图

研究团队首先制备了具有高太阳反射率（Rsolar=96.1%）和中红外发射率（eMIR=92.7%）的多孔PRC薄膜，以及具有高太阳吸收率（esolar=98.2%）和低中红外发射率（eMIR=6.3%）的SSA薄膜。两者在室内外测试中表现出优异的热调节能力，白天最大ΔT达57.9 K，夜间仍能维持3.6 K的温差，具备持续工作的潜力。

图2. PRC与SSA薄膜的表征 a) PRC薄膜（i）和SSA薄膜（ii）的结构示意图 b) PRC薄膜的反射率与发射率光谱，插图中红色区域为标准化AM1.5太阳光谱，蓝色区域为大气透明窗口 c) PRC薄膜在15–75°入射角下的反射率分布 d) 白天的净冷却功率 e) SSA薄膜的吸收率与发射率光谱 f) SSA薄膜在不同入射角下的太阳吸收率 g) 在1 sun光照下SSA层、黑漆、PRC层和白漆的温度测量结果 h) PRC和SSA薄膜在1 sun光照下的8次加热-冷却循环测试 i) PRC和SSA薄膜的实时户外温度测量结果

通过将p型与n型碳纳米管（CNT）热电薄膜交替印刷于柔性纸质基底，并沿预设计折痕折叠成三维结构，团队构建出具有交替凹凸面的折纸热电发电机。该结构不仅实现了热端的有效隔离，还使PRC与SSA层能同时面向太阳，避免相互遮挡。实验表明，在60 K的温差下，12对热电偶的器件开路电压达56.4 mV，功率密度为8.4 W/m²，且在700次折叠循环后仍保持稳定的电输出。

图3. 折纸TEG的热电性能 a) 输出电压随折叠角度和ΔT的变化 b) 输出电压随热电偶对数和ΔT的变化 c) 输出电压随温度的变化关系 d) 短路电流与输出电压在ΔT为10–60 K时的变化 e) 输出功率与输出电压在ΔT为10–60 K时的变化 f) 外部电阻与输出功率在ΔT为10–60 K时的变化 g) 功率密度和归一化功率密度随ΔT的变化 h) 循环折叠条件下的电压变化 i) 循环弯曲条件下的电阻变化

借助COMSOL多物理场仿真，团队进一步分析了器件在不同折叠角度下的热场与电势分布。模拟结果显示，90°折叠时ΔT最高达36.7 K，开路电压为32 mV，与实验数据吻合。与传统铝箔和黑漆涂层相比，光谱选择性材料带来的温差提升达11.9 K，凸显其优势。

图4. 折纸STE器件的COMSOL有限元模拟 a) 不同εsolar的SSA薄膜发射光谱与不同Rsolar 的PRC薄膜反射光谱 b) 不同PRC的Rsolar和SSA的εsolar下的温度分布图 c) 90°折叠时STE器件的模拟温度场 d) 使用铝箔（冷端）与黑漆（热端）的温度场对比分析 e) 90°折叠时STE器件的模拟电势场 f) 不同折叠角度（30°、60°、90°）下的ΔT与电压变化

在实际器件测试中，折纸STEG在模拟太阳光下表现出40.2 mV的开路电压，显著高于仅使用PRC或SSA的配置。其输出电压随光照强度呈比例增长，在1 sun光照下达41.6 mV，且在不同入射角下仍具良好适应性。户外实测中，器件在白昼峰值电压为28.1 mV，夜间仍能输出7.7 mV，实现了全天候连续发电。

图5. 折纸STE器件在模拟AM 1.5G氙灯照射下的输出性能 a) 制备的折纸STE器件示意图 b) 室内测试系统示意图 c) 折纸STE器件的红外热成像图 d) PRC与SSA层对输出电压的影响 e) 不同结构STE器件的输出电压对比 f) 在不同太阳光强度（0.6–1.2 sun）和入射角下的电压输出 g) 循环测试中ΔT与输出电压的变化 h) 在1.0 sun光照下的功率、电压与电流特性 i) 不同太阳辐照度下STE器件的ΔT与以往报道数据的对比

此外，该折纸结构展现出良好的机械柔性与可扩展性，可贴合圆柱、墙角等非平面表面工作，适用于建筑外墙、管道等多种场景。估算表明，1平方米的折纸STEG可集成约840对热电偶，折叠后占用面积减少74.3%，在46.5 K温差下可实现2.90 V开路电压和11.98 W/m²的功率密度，具备大规模应用前景。