物理科学与技术学院张文文博士及博士后合作导师吴文智教授在《光学快报》（Optics Express）上发表题为《基于MXene自适应吸收/发射器的多模式全天候光热电转换系统》（All-weather photothermal-electric conversion system with multimodal modulation based on an MXene patterned self-adaptive absorber/emitter）的研究论文。该研究提出了一种基于MXene图案化自适应吸收/发射器（MX-SAAE）的全天候光电热转换系统，通过结合MXene和VO2相变材料，实现了白天和夜间的自动模式切换，无需存储即可持续发电，为离网电能供应提供了新的路径。
太阳能作为一种清洁可再生能源，在海水淡化、空间加热和热电发电等领域展现出广阔前景。然而，其固有的间歇性（如昼夜交替和天气变化）严重限制了全天候连续运行能力。现有系统如光伏电池仅能在白天工作，夜间需依赖储能设备，增加了成本和复杂性。热电转换技术通过温度梯度发电，具有独特优势，可实现全天候运行。但如何设计高效的光热电耦合系统，成为关键难题。研究提出的MX-SAAE核心在于整合了MXene的优异光热性能和VO2的动态光谱调控能力。MXene作为一种新兴二维材料，通过局部表面等离子体共振（LSPR）效应增强太阳能吸收；而VO2则能在相变温度（约68°C）附近自动切换绝缘相和金属相，实现红外大气窗口（8-13μm）的发射率“开关”。系统在白天切换到低发射率模式（Low-e模式），最大化吸收太阳能并减少热损失；夜间则切换到高发射率模式（High-e模式），通过辐射冷却产生逆温度梯度，从而驱动热电发电机（TEG）持续发电。
研究采用多目标优化算法对MX-SAAE结构进行精细设计，涉及五层材料（MXene光栅、VO2、SiO2、Si3N4和钨基底）的厚度和图案参数，如图所示。优化后，系统在太阳光谱波段（0.3-2.5μm）的平均吸收率高达0.896，同时在大气窗口波段（8-13μm）的发射率可在0.33至0.885之间动态调整。这种设计表现出卓越的角度和偏振不敏感性，在入射角高达80°时仍保持稳定性能，适用于多变环境条件。
研究在哈尔滨市的四个典型日期（3月20日、6月21日、9月22日和12月21日）进行了24小时模拟测试。基于光热电耦合跨尺度模型，系统在白天最高功率密度达到2508 mW/m²，夜间输出为47 mW/m²。例如，在3月20日，系统在日出后自动切换模式，白天运行5.58小时，最大温差达63.2K，显著优于传统黑体吸收器。
本论文的第一作者及通讯作者为物理科学与技术学院张文文博士，共同通讯作者为电子工程学院吴文智教授，该工作得到了黑龙江省高校基本业务费 (2024-KYYWF-0141)和黑龙江省优秀青年教师科研项目（YQJH2023128）资助。
论文链接：https://doi.org/10.1364/OE.579693
