铝掺杂二氧化钛光电耦合增强吸收体提升热电转换效率的研究

为解决太阳能热电转换(STEG)中光热材料热辐射损失高、稳定性差的问题，研究人员通过磁控溅射技术开发了Al-TiO2光电耦合增强吸收体(ATO-PCEA)，其太阳能吸收率(α)达0.942、热发射率(ε)仅0.163，集成热电模块后功率密度提升28.7倍，为高效太阳能利用提供新思路。

　　

随着全球对可再生能源需求的增长，太阳能热电转换（STEG）技术因其环境友好、稳定性高等优势备受关注。然而，现有光热材料普遍面临热辐射损失大、有机材料稳定性差等瓶颈，导致热电输出性能受限。传统碳基黑体吸收体虽能广谱吸光，但热辐射效率高；而纳米粒子增强吸收涂层（NEACs）通过金属-介质多层结构可调控光热性能，但纳米粒子尺寸精确控制仍是技术难点。

针对这一挑战，陕西高校青年创新团队的研究人员创新性地采用磁控溅射技术，开发了铝掺杂二氧化钛光电耦合增强吸收体（ATO-PCEA）。该研究通过多层纳米薄膜干涉效应与层状放大纳米粒子的电场耦合（E-field coupling）协同作用，实现了高吸收率（α=0.942）与低热发射率（ε=0.163）的突破。集成商用热电模块（TEG）后，器件在1.0太阳光照下输出功率密度达0.536 W/m²，较无光热吸收体装置提升28.7倍。相关成果发表于《Journal of Materials Science》。

关键技术包括：1）磁控溅射制备Al-TiO₂多层纳米薄膜；2）通过扫描电镜（SEM）表征层状放大纳米结构；3）时域有限差分（FDTD）模拟电场耦合效应；4）搭建STEG系统测试开路电压（V_oc）与功率密度。

设计优化ATO-PCEA
通过调控Al与TiO₂的溅射参数形成有序层状纳米颗粒，SEM显示颗粒尺寸随层数增加而放大，FDTD证实该结构增强局域电场耦合，使可见-近红外波段吸收率提升至94.2%。

光热转换性能
ATO-PCEA在AM1.5G光谱下表面温度达82.3°C，较黑体吸收体（BA）降低热辐射损失61%。热重分析表明材料在300°C内保持稳定，克服了有机材料的热降解缺陷。

热电输出验证
集成Bi₂Te₃基TEG后，器件V_oc达237.98 mV，功率密度为BA器件的1.1倍。热沉系统维持冷端温差（ΔT）稳定，验证了NEACs在STEG中的工程适用性。

该研究通过材料创新与结构设计协同优化，解决了光热转换效率与热管理的关键矛盾。ATO-PCEA的层状放大纳米结构为调控E-field耦合提供了新范式，其全无机特性显著提升器件寿命，为太阳能-热能-电能高效转换提供了可规模化制备的技术路径。研究团队指出，未来可通过掺杂过渡金属进一步拓宽吸收光谱，推动STEG在分布式能源中的应用。