摘要：这是一个夏夜。在一栋安静建筑的屋顶上，一组面板为室内房间降温并保持灯亮，去除热量并利用天空的寒冷发电。大楼周围的空气中没有那种寒冷——夜晚很温暖。相反，这些面板远远超出了地球的大气层，以挖掘深空遥远的寒冷。

埃德蒙·德·哈罗

这是一个夏夜。 在一栋安静建筑的屋顶上，一组面板为室内房间降温并保持灯亮，去除热量并利用天空的寒冷发电。大楼周围的空气中没有那种寒冷——夜晚很温暖。相反，这些面板远远超出了地球的大气层，以挖掘深空遥远的寒冷。

听起来很疯狂？诚然，这项技术目前还没有完全可用。但我们已经证明，通过直接使用寒冷宇宙产生的电力，我们可以在没有电的情况下在白天将水冷却以将建筑物冷却多达 5 ºC，并在没有电线或电池的情况下照亮夜晚。随着技术的进步，我们看到它使太阳能电池板能够在白天和黑夜工作，为远程传感器供电。

从第一批人类学会利用火的那一刻起，人们就一直在操纵热量来执行他们的任务。今天，将燃烧的气体、核裂变、地核、太阳和其他来源的热量转化为有用能源的艺术支撑着现代生活。

埃德蒙·德·哈罗

由于热量提供了如此多的能量，我们忽略了另一种动力来源：寒冷。深空的寒冷是一种热力学资源，在很大程度上尚未开发。是的，它很遥远，但距离并不妨碍它的使用，特别是当我们考虑到宇宙中广阔的空旷空间有多么寒冷时——大约 3 开尔文。

我们通常没有意识到这种寒冷，因为我们周围的事物，包括阳光和从大气中反射回来的辐射，会共同使我们发热。但大约十年前，我们在斯坦福大学的研究小组设计了一种材料，这种材料可以非常有效地将热量发送到寒冷的储存库，同时防止来自太阳和环境的加热。事实上，这种材料非常高效，即使坐在阳光直射下，它也可以将自身冷却到低于周围环境的温度。

这真是太酷了——真的。当热量可以自发地从地球上的物体流向宇宙时，就像水从高地流向大海一样，它让我们有机会沿途从中收集有用的能量。

在流动水的情况下，涡轮机收集水流中的能量以产生水力发电。在热量从地球流向深空的情况下，我们已经开发了几个有前途的概念，尽管我们仍在努力找出最佳机制。

在我们向您介绍这些想法和原型之前，您需要了解辐射在维持地球能量平衡方面的作用。

辐射是传热的三种机制之一。另外两个是热传导和热对流。第一种是由于原子相互振动而产生的，这通常发生在固体中;第二种是由粒子的体积运动引起的，例如空气中的气体分子。传导和对流都需要一种介质来传递热量。传播电磁波形式的辐射不需要这种介质，并且可以传播很长的距离。

以太阳辐射为例，它将热量从太阳带到地球表面。在阳光明媚的日子里，您会感觉到自己的身体在吸收阳光时发热。地球物体也会散发热量：在晴朗的夜晚，您会感到身体凉爽;其中一些冷却是热量辐射到太空中。

虽然入射辐射已成为太阳能形式的可再生能源的支柱，但出射辐射在很大程度上仍未用于能源生产。这种向外辐射将热量从地球上的物体发送到外太空，这是一个容量几乎无限的水库。以这种方式去除热量可以将该物体冷却到比周围温度低几十度。

我们可以通过热电发电将温差转化为电能来利用温差。热电发电机的工作原理是塞贝克效应，它描述了材料如何响应其两端的温差而产生电压差。我们可以通过控制添加杂质或掺杂剂来操纵半导体中的塞贝克效应。

回想一下，掺杂剂可以将其主体半导体变成具有移动带负电电子的 n 型半导体，或具有移动带正电空穴的 p 型半导体。在任何一种情况下，当这些半导体桥接温差时，电子或空穴都会聚集在较冷的一端附近。因此，n 型在热侧产生正电压电位，而 p 型在同一方向上产生负电压电位。

热电发电机 （TEG） 由交替对的 n 型和 p 型半导体链在一起组成，因此从 n 型正温差获得的电压与 p 型负温差获得的电压相加。通过在热储层和冷储层之间连接 TEG，热差被捕获为电能。

以周围环境为热水库，我们可以利用来自深空的寒冷来创造冷水库。

为此，我们使用所谓的发射器将热量发送到太空，它会将自身冷却到比周围环境更低的温度。这种现象被称为辐射冷却。然后，位于冷发射器和现在更热的周围环境之间的热电发电机可以发电。

发射器的工作是将热量辐射到地球大气层之外。但大气层只对某些波长的光子是透明的。在中红外范围内，即来自典型地球物体的热辐射集中的地方，最适用的大气透射波段在 8 到 13 微米波长范围内。

即使是一些简单的发射器也会发出这些波长的热辐射。例如，如果它与周围环境绝缘，则黑色涂料在该波段内发出的辐射足以在暴露在夜空中时将表面冷却 10 ºC。

在 8 到 13 毫米以外的波长范围内，大气会反射回大量辐射。在白天，太阳辐射进入方程式。更先进的发射器设计旨在通过确保它们仅在透明窗口内吸收和发射来避免来自大气和阳光的入射辐射。使用这种波长选择性发射器进行辐射冷却的想法可以追溯到 Claes-Göran Granqvist 及其合作者在 1980 年代的开创性工作。就像工程师设计具有特定形状和尺寸的无线电天线以沿特定波长沿特定方向传输一样，我们可以使用材料库设计发射器，每种材料都有特定的形状和大小，以调整热辐射的波段和方向。我们做得越好，发射器喷射到太空中的热量就越多，发射器就会变得越冷。

玻璃是发射器的绝佳材质。它的原子振动与 10 μm 波长附近的辐射强烈耦合，迫使材料在透射窗口内发射大部分热辐射。只要在晚上触摸玻璃窗，你就会感受到这种凉爽。添加金属膜以帮助将辐射反射到天空，使排放和冷却更加有效。而且结构可以专门设计成强烈反射太阳光的波长。

当发射器在大气传输窗口内以某个波长辐射热量时，它会冷却下来，形成一个冷储层。然后，热电发电机可以使用环境空气作为其热侧，发射器作为其冷侧来发电。克里斯·菲尔波特

十年前，我们的研究小组创造了第一种在白天工作、即使在阳光直射下也能有效地将自身冷却到环境空气温度以下。它由交替的氧化铪薄膜 （HfO2） 和位于银色反光层顶部的玻璃。通过仔细选择每层薄膜的厚度，我们能够使这种材料几乎完全反射太阳辐射，同时通过大气传输窗口将热量送出。

从那时起，许多其他研究小组已经展示了各种日间辐射冷却设计。科罗拉多大学博尔德分校的一组研究人员设计了一种发射器，方法是用微小的玻璃珠嵌入聚合物薄膜，并在其背面涂上一层薄薄的银。玻璃珠将热辐射从聚合物中送出，而银涂层则反射入射的阳光。

至于我们的材料，我们已经将一种应用商业化：在不使用电力的情况下冷却结构，从而减少或消除对建筑空调的需求。SkyCool Systems 是我们研究小组的衍生公司，销售被动冷却板，这些面板可用作独立冷却系统或作为现有空调和制冷系统的附加组件。到目前为止，SkyCool 已经在美国各地的许多杂货店安装了面板。

在 2017 年的概念验证中，于 2023 年 11 月复制 [上图]，发射器是绝缘室内的黑漆铝板，其塑料盖对中红外辐射是透明的。插入腔室底部的热电发电机使用发射器作为冷源，金属支架作为热源为 LED 供电。在后来的实验 [下图] 中，太阳能电池用作发射器。白天，太阳能电池利用阳光发电。同时，热电发电机从太阳能电池与其较冷环境之间流动的热量中产生额外的电力。在夜间，发电机从较热的环境和较冷的发射器之间的相反热流中发电。摄影：Sid Assawaworrarit/斯坦福大学

利用宇宙的寒冷来收集能量仍在开发中。作为我们的第一个概念验证，我们在铝板上使用黑色油漆制作了一个简单的发射器。我们将发射器封闭在一个泡沫盒中，并盖上透明聚乙烯薄膜的盖子;这使得发射器能够将热量辐射到太空中，同时使其免受周围环境的热量的影响。

然后，我们在泡沫盒底部切一个小孔，并将一个现成的热电发电机连接到发射器上（您可能还记得它也起到冷汇的作用）。对于发电机的热侧，我们连接了一个散热器，该散热器被动地从周围环境中收集热量。

为了避免与阳光作斗争，我们在晚上在斯坦福大学 David Packard Electrical Engineering Building 的屋顶上测试了这种设置。它每平方米发射器的表面积产生 25 毫瓦的功率，并点亮了 LED。

我们的系统类似于太阳能电池板，因此我们开始考虑将这两种技术结合起来，打造出昼夜发电的设备的可能性。商用硅太阳能电池通常具有由二氧化硅玻璃制成的顶部保护层，该保护层以穿越大气所需的频率传输大量热辐射。使用该玻璃作为发射器，采用与我们的第一次演示类似的绝缘设置，并在玻璃和太阳能电池之间插入热电发电机，我们展示了每平方米 50 毫瓦的夜间发电，而不会中断光伏的白天运行。

虽然有趣，但 50 mW/m2功率密度几乎没有实际用途;甚至是郊区杂货店的屋顶——比如说，大约 4,000 米2）——将产生 200 瓦特的功率，大约足够为一台小型冰箱供电。我们需要提高能量采集器的功率密度，使其成为在夜间为照明和其他低功率电子设备供电的有吸引力的选择。因此，我们开始在仿真模型中测试对设置的修改，发现了许多改进设计的方法。

关键是针对给定的发射极区域优化热电发电机的尺寸。对于发射器与周围环境之间给定程度的温差，较大的发电机会产生更多的功率，但它允许更多的热量在两者之间流动，从而降低了发射器可以承受的温差。通过正确平衡，我们证明了功率密度翻了一番，达到 100 mW/m 以上2，仅使用 black-paint 发射器。

将发射器与周围环境进行隔热处理，使其达到非常低的温度也非常重要。显然，可用的绝缘材料比我们演示中使用的材料要好得多。

最后，光谱选择性更强的发射器，如所描述的玻璃珠设计和多层 hafnia 设计，冷却到比铝上的黑色油漆低得多的温度，因此提高了功率密度。

将所有这些优化放在一起，我们计算出该技术可实现的最大功率密度为 2.2 W/m2.这种功率密度比太阳能电池在阳光下产生的功率密度低得多。然而，当阳光不容易获得时，这已经很好了;与许多其他环境能量收集方案相比，它要高得多。例如，它比小于 1 mW/m 的要高出几个数量级2可以从环境无线电波中收集。

我们的方法取决于使用发射器将热辐射发送到冷空间，并充当局部冷库。这意味着我们必须对发射器进行绝缘处理，以防止热量的持续侵入，以保持温差。

但是，如果我们不需要当地的温差来发电呢？为了回答这个问题，我们研究了太阳能光伏，以确定是否存在适用于深空而不是阳光的冷模拟。

光伏电池可以通过吸收和发射热辐射来发电。当电池暴露在来自较热物体的热辐射下时，会形成大量的电子-空穴对，并且电池会产生正电压电位。当电池暴露在较冷的物体下时，电池中的电子和空穴重新组合成出射辐射，电池产生负电压电位。克里斯·菲尔波特

在太阳能收集中，光伏电池直接从太阳的辐射中发电，这要归功于半导体吸收光时内部发生的事情。回想一下，由于室温下的热激发，电子和空穴（半导体中的电荷载流子）通常以微量存在于未掺杂半导体中。但是，如果用能量大于半导体带隙的光子轰击半导体，就可以产生更多的电子和空穴。为了分离光生电子和空穴，选择性触点（只允许一种类型的电荷载流子通过的触点）连接到半导体的两侧。一种常见的方法是将半导体的一侧掺杂为 p 型，使其为 p 型，让空穴通过并阻挡电子，另一侧为 n 型，让电子通过并阻挡空穴。结果是 p 侧的空穴和 n 侧的电子积累，使 p 侧相对于 n 侧产生正电压;连接负载时，电子从 N 侧流出。

这张熟悉的光伏运行图景假设地球上相对寒冷的光伏电池沐浴在来自太阳等更热天体的明亮辐射中。冷模拟是地球上面向太空虚空的光伏电池。在这里，与太空相比，地球很热，温差意味着地球上的光伏电池向太空发射净辐射。

在这种情况下，半导体中的电子和空穴重新组合并辐射光子，从而逆转光吸收过程。这种复合会吃掉电子和空穴的数量，从 p 侧拉出空穴，从 n 侧拉出电子。在没有入射辐射来平衡辐射复合的情况下，两端电荷的减少导致 p 侧相对于 n 侧产生负电压。连接负载，电子从 p 侧流出。电压极性与冷光伏电池吸收来自烈日的辐射的情况相反，但它仍然是电。太阳能电池在面对寒冷物体时产生能量的这种现象并不奇怪;它隐含在著名的 Shockley-Queisser 极限中，该极限解释了太阳能电池的最大理论效率。

最近，我们的研究小组和其他人研究了使用这种设备从地球释放到宇宙中的热辐射中收集电力的可能性。我们称这种照明为“负”照明，因为它的辐射净释放，以区别于太阳能电池中出现的“正”照明。其他人称其为热辐射能量收集。

要使负照度在地球上进行能量收集，需要光伏电池在大气传输窗口内发射波长的辐射。在这个窗口中，电子和空穴可以重新组合成出射辐射。在窗外，从大气中反射回来的辐射破坏了产生负电压的过程。为了达到该传输窗口，我们必须用具有微小带隙（约 0.09 电子伏特）的半导体制造光伏电池，该带隙对应于波长为 13 μm 的传输窗口边缘。

这确实是可能的，尽管对于硅来说是不可能的。在我们的第一个实验室实验中，我们使用了带隙约为 0.1 eV 的碲化镉汞 （MCT） 光伏电池。我们通过将 MCT 电池对准温度受控的表面来确认负照明效应。该设置允许我们加热表面以使其发出更多辐射——允许我们的 MCT 单元在正照明下运行——然后冷却表面，允许 MCT 单元切换到负照明。通过改变表面的温度，我们能够从电池电压输出的相应变化中观察到正照度和负照度之间的转换。

然后，我们将 MCT 单元从实验室中取出，将其对准夜空，以使用寒冷的宇宙来测试效果。我们确实发电了，但功率密度仅为每平方米 64 纳瓦，远低于我们基于发射器的方法。

有几件事是罪魁祸首。首先，MCT 单元的带隙有点太高，无法处于理想的透射窗口。其次，小带隙半导体受非辐射过程（即不发射辐射的电子-空穴复合）的影响很大。这些因素结合起来，降低了我们的细胞可以提供的电量。

在一个近乎完美的世界中，我们发现了发射器和负照度光伏电池的最佳材料，并解决了所有其他设计问题，我们计算出热电发射器系统和负照度方法的最大功率密度约为 5 W/m2.这大约是商用太阳能电池在阳光充足时提供的 30 分之一，或者与太阳能电池在明亮的办公室内产生的电量大致相同。

在更现实的情况下，我们认为我们可以达到 1 W/m 的功率密度2.这听起来可能不多，但足以为 LED 照明和空气质量传感器供电，并保持智能手机电池充电。从长远来看，想象一下生活在一个遥远的小屋里，没有电网，没有电池，利用来自地球大气层之外的传入和传出辐射来日夜加热、冷却和发电，这也许不是没有道理的。

来源：陈讲运清洁能源