24-hr Solid-State Power Generation with Self-Adaptive Tunable Radiative Coatings
本文展示了一种自适应固态发电系统，该系统通过将热电发生器与一种可调控辐射涂层相结合，实现了24小时运行，该涂层通过温度驱动的VO2相变，在白天的加热模式（高太阳吸收率）与夜晚的冷却模式（高红外发射率）之间进行自主切换，从而在昼夜功率输出方面均优于传统的黑色吸收体。
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太阳是持续不断的炽热来源，而寒冷的太空真空则提供了恒定的、深邃的寒意。几十年来，科学家们一直试图制造能够从这两者极端环境中采集能量的机器，希望在没有运动部件或燃料的情况下创造电力。挑战在于，一个设备需要变得非常热才能从阳光中产生电能，但它也需要变得非常冷才能从夜空产生电能。通常情况下，擅长吸收阳光的材料也擅长向外辐射热量，这使得维持发电所需的极端温差变得十分困难。此外，大多数材料是静态的；无论阳光灿烂还是星光闪烁，它们的表现都一样。为了解决这个问题，研究人员开始寻找能够自动改变其行为的材料，使其像一层“智能皮肤”一样，知道何时吸收热量，以及何时让热量逃逸。
亚利桑那州立大学的一组研究人员现在展示了一种能够实现这一目标的设备，它仅利用太阳和寒冷的太空，就能连续 24 小时创造电力。他们制造了一种特殊的涂层，覆盖在一叠热电模块之上——这些模块能将温差直接转化为电能。该涂层由一层二氧化钒薄膜组成，这种材料会根据温度改变其内部结构。当阳光照射且涂层变热时，它会切换到一种表现得像完美太阳吸收器的状态，既吸收光线又锁住热量。当太阳落下且涂层冷却时，它会再次切换，变成一个高效的辐射器，将热量释放到寒冷的天空中。这种自适应切换无需任何外部控制、电池或传感器，完全由涂层自身的温度驱动。
研究人员精确设计了这种涂层，通过分层不同的材料来确保这种切换能在需要的地方精准发生。他们将二氧化钒薄膜置于硅基底上，中间隔着一层间隔层，以帮助调节光与表面的相互作用方式。在白天，当二氧化钒变热时，涂层会吸收 90% 的阳光，同时反射大部分红外热量，从而保持设备的高温。在夜晚，当材料冷却到一定点以下时，它对特定范围内的红外光变得透明，从而使设备能够高效地将热量辐射到大气中。这使得表面在昼夜之间的热辐射能力产生了 0.62 的显著变化，对于这类材料而言是一个巨大的跨越。
为了测试这一概念是否真的能产生动力，团队将设备拿到户外，使其经历完整的昼夜循环。他们在两种环境中进行了测试：一种是在高真空室内部，以消除风带来的冷却效应；另一种是在开放空气中，其中对流会发挥作用。在真空中，该设备证明了其价值，在正午前后每平方米产生 1.64 瓦的功率。这比在相同条件下标准黑色表面产生的功率高出 28%。随着夜幕降临，设备切换模式，开始从寒冷中产生电能，每平方米产生 26 毫瓦。这比黑色表面在夜间所能达到的功率高出 63%。这种在两种模式之间切换的能力使设备能够产生稳定的电流，电压在白天上升，在夜晚随着温差反转而变为负值。
当研究人员将测试转移到开放空气中时，由于风的冷却作用，结果略有下降，但该设备仍然优于标准的黑色表面。在炎热的夏日，涂层设备的温度达到了 87 摄氏度，而未涂层的黑色样品仅达到 67 摄氏度。这种额外的热量转化为中午每平方米 0.48 瓦的功率输出，比黑色样品提高了 14%。在夜晚，该设备继续产生电力，尽管空气的存在略微降低了温差。即使面对这些现实世界的挑战，该系统仍保持了持续的发电循环，证明了这种自适应涂层在实验室之外同样有效。
研究还将这种智能涂层与其他专门材料进行了对比，以观察其与理论极限的差距。他们测试了一种近乎完美的太阳吸收器和一种由氟化锂制成的、具有高度选择性的辐射冷却器。这些参考材料表明，该设计仍有改进空间，因为智能涂层并未完全达到那些专门用途材料的巅峰性能。然而，这种智能涂层在一个整体方案中完成两项工作的能力，以及自动切换的功能，提供了一条实用的发展路径。研究人员展示了单个设备在真空环境下，白天可产生 433 毫伏、夜晚产生 -62 毫伏的开路电压；在开放空气中，则可产生 300 毫伏至 -51 毫伏的电压。这种由随天气变化的材料驱动的、连续 24 小时的电力生成循环，标志着在无需运动部件和无需人工干预的可持续固态能量采集领域迈出了重要一步。
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