徐洪波
1、背景介绍：在全球能源需求激增与环境压力加剧的双重挑战下，高效、清洁的可持续能源转换技术成为科研与产业界的核心攻关方向。热电发电（TEG）技术凭借“热能直接转电能”的独特优势，成为绿色低碳能源解决方案的关键突破口。然而传统TEG系统面临瓶颈：单一依赖工业废热、人体热量等热源或主动冷却技术，存在能量密度低、寄生能耗高的问题；同时，热端设计优化与理论-实验验证脱节，制约了其全天候稳定运行能力。如何通过协同热端光热加热与冷端辐射制冷，构建高效温度梯度，实现24小时连续发电，成为亟待解决的关键问题。
2、成果简介：哈尔滨工业大学联合多机构科研人员，提出一种仿生Janus结构超材料器件，创造性地将微结构化SiO2辐射冷却层与Si光热吸收层协同集成，实现了热电发电性能的跨越式提升。该器件灵感源自蛾眼微结构，通过亚波长工程增强吸收/发射特性，热端Si光热板在太阳波段吸收率达95%，冷端SiO2冷却板在8-13μm大气窗口发射率高达 94.9%，成功构建温度梯度。
实验验证表明，该Janus TEG 器件在夏季白天平均输出电压达70 mV，峰值电压突破108 mV；开放系统下功率密度达41.5 μW/cm2，温度差最高可达8.9 ℃，显著优于现有同类技术。更重要的是，器件实现24小时连续发电，夜间依托辐射冷却仍能维持稳定电压输出，在不同季节均展现出优异的环境适应性。
3、图文导读（选填）：
器件结构设计：器件以商用TEG模块为核心，两侧分别集成微结构化Si光热板（热端）与SiO2辐射冷却板（冷端），通过银镜反射与保温泡沫封装优化能量利用效率。Si光热板采用尖锥阵列结构（锥角28°、高1 μm），SiO2冷却板为截顶微锥阵列（顶部直径0.6 μm、底部直径1.2 μm），均通过FDTD模拟优化实现最优光学性能。
图1 微结构 Janus 热电发电机（TEG）装置。
核心性能测试：室内氙灯模拟实验中，Si光热板150秒内温度升至51 ℃，与SiO2冷却板形成21.7 ℃温差；户外测试中，Si光热板最高温度达58 ℃（高于环境温度25.2 ℃），SiO2冷却板最低温度比环境低9 ℃，最大温差达34.3 ℃。
图2 微结构Si和SiO2板的加热/冷却性能。
通过“模式对比-数据量化-结论验证”展开分析。图3a-c清晰区分三种测试模式的核心差异：裸器件模式无任何功能层，太阳加热模式仅热端集成Si光热板，辐射冷却模式仅冷端集成SiO2冷却板；图3d-f实时监测曲线同步记录热端/冷端温度、温差及太阳辐照度，发现SH-mode热端温度可达50 ℃以上，RC-mode冷端温度显著低于裸器件，且温差变化与太阳辐照度趋势一致；右侧统计图表完成性能量化：SH-mode平均温差0.7 ℃、平均电压21.9 mV，RC-mode平均温差1.0 ℃、平均电压15.5 mV，分别是裸器件的3.1倍和2.2倍，明确证明Si光热板对热端升温、SiO₂冷却板对冷端降温的显著作用，且两者均能有效提升TEG输出电压。
图3 展示不同热电发生器（TEG）运行模式的示意图。
全天候发电验证：围绕“全天候、全季节适应性”展开表征。图4a所示的装置示意图与发电原理图解，补充了银镜反射增强光吸收、保温泡沫减少热损耗的优化设计，完善器件结构细节；四季日间电压曲线揭示关键规律：夏季太阳辐照度最高，器件峰值电压108 mV、平均电压70 mV，均为四季最优，春秋季次之，冬季因辐照度低表现最差；夜间电压数据则验证冷却端的持续作用：夏季夜间平均电压4.2 mV，远超其他季节，证明即使无太阳照射，SiO2辐射冷却仍能维持一定温差；24小时连续测试曲线最终确认器件全天候运行能力，全程无间断电压输出，峰值超55 mV。
图4 Janus TEG的季节性户外测试。
聚焦“实际应用场景的性能验证”。太阳辐照度曲线为性能分析提供环境背景，热端/冷端温度及温差曲线显示，开放系统下虽受自然对流影响，仍能实现最大8.6 ℃温差，证明器件抗干扰能力；TEG1-127与TEG1-199的电压对比，凸显前者更优的发电性能（平均电压30.6 mV vs 11.6 mV）；电流与功率曲线则给出核心性能指标：在热端32.6 ℃、温差4.4 ℃时，输出功率664.2 μW，功率密度41.5 μW/cm²，该性能远超近年报道的同类辐射冷却增强型TEG，为器件的实际产业化应用提供关键数据支撑。
图5 Janus TEG在开放系统条件下的户外性能测试。
4、课题组简介或作者简介：
哈尔滨工业大学李垚、徐洪波团队长期聚焦先进功能材料与能源转换技术，在辐射冷却、电致变色、智能热控等领域开展系统性研究，先后承担国家重点研发计划、国家自然科学基金等多项课题，相关成果已在《Advanced Materials》《Advanced Functional Materials》《Small》等期刊发表。更多信息可访问课题组官网：http://www.yicaige.com/index.html
