位于馬里蘭州勞雷爾的約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（APL）的研究人員開發(fā)了一種新的、易于制造的固態(tài)熱電制冷技術(shù)，該技術(shù)采用納米工程材料，其效率是使用市售散裝熱電材料制成的設(shè)備的兩倍。隨著全球?qū)Ω?jié)能、更可靠和更緊湊的冷卻解決方案的需求不斷增長，這一進(jìn)步為傳統(tǒng)的基于壓縮機(jī)的制冷提供了一種可擴(kuò)展的替代方案。

在發(fā)表在《自然通訊》上的“Nano-engineeredthin-filmthermoelectricmaterialsenablepracticalsolid-staterefrigeration”中，APL的一組研究人員和三星研究院的制冷工程師證明，由APL發(fā)明的高性能納米工程熱電材料，稱為受控分層工程超晶格結(jié)構(gòu)（CHESS），制冷系統(tǒng)的熱泵效率和容量有所提高。DOI：10.1038/s41467-025-59698-y

CHESS技術(shù)是APL10年來在先進(jìn)納米工程熱電材料和應(yīng)用開發(fā)方面的研究成果。該材料最初是為國家安全應(yīng)用而開發(fā)的，后來也被用于假肢的無創(chuàng)冷卻療法，并于2023年獲得了R&D100獎。

這種使用新型熱電材料進(jìn)行制冷的真實(shí)演示展示了納米工程CHESS薄膜的能力它標(biāo)志著冷卻技術(shù)的重大飛躍，并為將熱電材料的進(jìn)步轉(zhuǎn)化為實(shí)用、大規(guī)模、節(jié)能的制冷應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。”

固態(tài)冷卻的新基準(zhǔn)

在滿足基本制冷需求的縮小系統(tǒng)中，制冷需求與全球應(yīng)用的傳統(tǒng)機(jī)械制冷系統(tǒng)不同。發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家的制冷需求都在增加，特別是在家庭到醫(yī)院環(huán)境。迫切需要使制冷設(shè)備在大型系統(tǒng)縮小尺寸時更加緊湊、更高效，并在降低制造成本的同時滿足更高的效率標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的機(jī)械制冷系統(tǒng)無法很好地?cái)U(kuò)展，并且由于使用氫氟碳化物 （HFC） 等化學(xué)制冷劑而存在環(huán)境問題——它們是溫室氣體 （GHG），其全球變暖潛能值 （GWP） 是二氧化碳 （CO2），泄漏率使問題惡化。

相比之下，固態(tài)熱電系統(tǒng)的擴(kuò)展性非常好，從 1 瓦到 1 kW 級別，因?yàn)樗鼈兪怯晒虘B(tài)器件組件制成的。可以根據(jù)冷卻需求添加更少或更多的熱電設(shè)備，就像鋰離子電池系統(tǒng)一樣——從手機(jī)中的幾瓦到電動汽車中的數(shù)千瓦系統(tǒng)。此外，固態(tài)器件是眾所周知的可靠，因?yàn)闆]有移動部件，并且由于可以應(yīng)用可擴(kuò)展的半導(dǎo)體制造技術(shù)，因此可以將成本降低到有競爭力的水平。

熱電冷卻模塊是小型系統(tǒng)的理想冷卻技術(shù)，因?yàn)樗鼈兡軌蛟诓恍枰评鋭┑那闆r下提供環(huán)保冷卻，并且僅使用簡單的組件即可進(jìn)行精確、快速的溫度控制。熱電冷卻冰箱具有顯著的優(yōu)勢，包括快速響應(yīng)時間、準(zhǔn)確的溫度調(diào)節(jié)和卓越的溫度一致性。這些特性大大減少了達(dá)到所需溫度所需的時間，并提高了冰箱內(nèi)溫度的均勻性。因此，它們可以提高長期儲存食品的保存和新鮮度。此外，該系統(tǒng)的簡單設(shè)計(jì)提供了靈活性，能夠創(chuàng)建具有新形狀和隔板的創(chuàng)新冷卻設(shè)備，為先進(jìn)的制冷技術(shù)鋪平道路。

過去散裝熱電材料用于迷你冰箱等小型設(shè)備，但其效率有限、熱泵能力低以及與可擴(kuò)展半導(dǎo)體芯片制造的不兼容歷來阻礙了它們在高性能系統(tǒng)中的廣泛使用。

在這項(xiàng)研究中，研究人員在標(biāo)準(zhǔn)化制冷測試中比較了使用傳統(tǒng)散裝熱電材料的制冷模塊和使用CHESS薄膜材料的制冷模塊，測量和比較了在同一商用冰箱測試系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)不同冷卻水平所需的電功率。三星研究院的生命解決方案團(tuán)隊(duì)由執(zhí)行副總裁李俊賢領(lǐng)導(dǎo)，與APL合作，通過詳細(xì)的熱建模、量化熱負(fù)荷和熱阻參數(shù)來驗(yàn)證結(jié)果，以確保在真實(shí)條件下進(jìn)行準(zhǔn)確的性能評估。

結(jié)果令人震驚：使用CHESS材料，APL團(tuán)隊(duì)在室溫（約80華氏度或25攝氏度）下比傳統(tǒng)熱電材料實(shí)現(xiàn)了近100%的效率提高。然后，他們將這些材料級收益轉(zhuǎn)化為使用CHESS材料構(gòu)建的熱電模塊在設(shè)備級效率提高近75%，在完全集成的制冷系統(tǒng)中效率提高70%，每一項(xiàng)都代表著與最先進(jìn)的體熱電設(shè)備的顯著改進(jìn)。

規(guī)模化生產(chǎn)的可能

除了提高效率之外，CHESS薄膜技術(shù)使用的材料也大大減少——每個制冷裝置僅使用0.003立方厘米，或大約一粒沙子大小。這種材料的減少意味著APL的熱電材料可以使用半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)工具進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，從而提高成本效率并實(shí)現(xiàn)市場的廣泛采用。

這種薄膜技術(shù)有潛力從為小型制冷系統(tǒng)提供動力發(fā)展到支持大型建筑暖通空調(diào)應(yīng)用，類似于鋰離子電池被擴(kuò)展到為小到手機(jī)和電動汽車的設(shè)備供電的方式。

此外，CHESS材料采用成熟的工藝制成，通常用于制造為衛(wèi)星和商業(yè)LED燈供電的高效太陽能電池。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）來生產(chǎn)CHESS材料，這種方法以其可擴(kuò)展性、成本效益和支持大批量制造的能力而聞名，MOCVD已經(jīng)在商業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，使其成為擴(kuò)大CHESS薄膜熱電材料生產(chǎn)規(guī)模的理想選擇。”

除了制冷領(lǐng)域的最新進(jìn)展外，這些材料和設(shè)備還繼續(xù)顯示出廣泛的能量收集和電子應(yīng)用的前景。APL計(jì)劃繼續(xù)與組織合作，改進(jìn)CHESS熱電材料，重點(diǎn)是提高效率以接近傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)。未來的工作包括展示包括冰柜在內(nèi)的更大規(guī)模制冷系統(tǒng)，以及集成人工智能驅(qū)動的方法，以優(yōu)化制冷和暖通空調(diào)設(shè)備中分區(qū)或分布式冷卻的能源效率。

除了制冷之外，CHESS材料還能夠?qū)夭睿ㄈ珞w溫）轉(zhuǎn)化為可用功率，除了推進(jìn)下一代觸覺系統(tǒng)、假肢和人機(jī)界面外，這還為從計(jì)算機(jī)到航天器等各種應(yīng)用的可擴(kuò)展能量收集技術(shù)打開了大門——這些功能對于較舊的笨重?zé)犭娫O(shè)備來說是不可行的。

小結(jié)

納米工程CHESS薄膜熱電材料的成功驗(yàn)證，為其未來廣闊的應(yīng)用前景奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。其發(fā)展?jié)摿诵脑谟趯⒏咝阅堋⑽⑿突⒖蓴U(kuò)展制造和零污染特性完美結(jié)合。未來，該技術(shù)有望徹底重塑多個領(lǐng)域的溫控解決方案。在家電領(lǐng)域，它不僅可用于開發(fā)完全無壓縮機(jī)的靜音、模塊化冰箱，更能為空調(diào)系統(tǒng)提供按房間或區(qū)域精準(zhǔn)控溫的分布式冷卻方案，極大提升能效。在電子領(lǐng)域，其極高的熱流密度使其成為解決高性能芯片散熱瓶頸的終極方案，為算力發(fā)展掃清障礙。在醫(yī)療領(lǐng)域，其精準(zhǔn)的溫控能力可用于便攜式醫(yī)療冷藏設(shè)備、局部低溫治療及疼痛管理等領(lǐng)域。更重要的是，其與半導(dǎo)體工藝兼容的特性意味著它可以通過成熟的MOCVD技術(shù)進(jìn)行晶圓級大規(guī)模生產(chǎn)，成本有望快速下降，加速商業(yè)化進(jìn)程。最終，這種固態(tài)技術(shù)憑借其無可比擬的可靠性，將成為從深海探測到太空任務(wù)等極端環(huán)境下關(guān)鍵設(shè)備溫控的首選方案，真正開啟一個高效、靜音、零碳排的固態(tài)制冷新時代。