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零碳科技：制冷效率翻倍！纳米工程薄膜热电材料
发布时间：
2025-11-22 00:00
零碳科技：制冷效率翻倍！纳米工程薄膜热电材料
位于马里兰州劳雷尔的约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL）的研究人员开发了一种新的、易于制造的固态热电制冷技术，该技术采用纳米工程材料，其效率是使用市售散装热电材料制成的设备的两倍。随着全球对更节能、更可靠和更紧凑的冷却解决方案的需求不断增长，这一进步为传统的基于压缩机的制冷提供了一种可扩展的替代方案。
在发表在《自然通讯》上的“Nano-engineeredthin-filmthermoelectricmaterialsenablepracticalsolid-staterefrigeration”中，APL的一组研究人员和三星研究院的制冷工程师证明，由APL发明的高性能纳米工程热电材料，称为受控分层工程超晶格结构（CHESS），制冷系统的热泵效率和容量有所提高。
DOI：10.1038/s41467-025-59698-y
CHESS技术是APL10年来在先进纳米工程热电材料和应用开发方面的研究成果。该材料最初是为国家安全应用而开发的，后来也被用于假肢的无创冷却疗法，并于2023年获得了R&D100奖。
这种使用新型热电材料进行制冷的真实演示展示了纳米工程CHESS薄膜的能力它标志着冷却技术的重大飞跃，并为将热电材料的进步转化为实用、大规模、节能的制冷应用奠定了基础。”
固态冷却的新基准
在满足基本制冷需求的缩小系统中，制冷需求与全球应用的传统机械制冷系统不同。发达国家和发展中国家的制冷需求都在增加，特别是在家庭到医院环境。迫切需要使制冷设备在大型系统缩小尺寸时更加紧凑、更高效，并在降低制造成本的同时满足更高的效率标准。传统的机械制冷系统无法很好地扩展，并且由于使用氢氟碳化物 （HFC） 等化学制冷剂而存在环境问题——它们是温室气体 （GHG），其全球变暖潜能值 （GWP） 是二氧化碳 （CO2），泄漏率使问题恶化。
相比之下，固态热电系统的扩展性非常好，从 1 瓦到 1 kW 级别，因为它们是由固态器件组件制成的。可以根据冷却需求添加更少或更多的热电设备，就像锂离子电池系统一样——从手机中的几瓦到电动汽车中的数千瓦系统。此外，固态器件是众所周知的可靠，因为没有移动部件，并且由于可以应用可扩展的半导体制造技术，因此可以将成本降低到有竞争力的水平。
热电冷却模块是小型系统的理想冷却技术，因为它们能够在不需要制冷剂的情况下提供环保冷却，并且仅使用简单的组件即可进行精确、快速的温度控制。热电冷却冰箱具有显著的优势，包括快速响应时间、准确的温度调节和卓越的温度一致性。这些特性大大减少了达到所需温度所需的时间，并提高了冰箱内温度的均匀性。因此，它们可以提高长期储存食品的保存和新鲜度。此外，该系统的简单设计提供了灵活性，能够创建具有新形状和隔板的创新冷却设备，为先进的制冷技术铺平道路。
过去散装热电材料用于迷你冰箱等小型设备，但其效率有限、热泵能力低以及与可扩展半导体芯片制造的不兼容历来阻碍了它们在高性能系统中的广泛使用。
在这项研究中，研究人员在标准化制冷测试中比较了使用传统散装热电材料的制冷模块和使用CHESS薄膜材料的制冷模块，测量和比较了在同一商用冰箱测试系统中实现不同冷却水平所需的电功率。三星研究院的生命解决方案团队由执行副总裁李俊贤领导，与APL合作，通过详细的热建模、量化热负荷和热阻参数来验证结果，以确保在真实条件下进行准确的性能评估。
结果令人震惊：使用CHESS材料，APL团队在室温（约80华氏度或25摄氏度）下比传统热电材料实现了近100%的效率提高。然后，他们将这些材料级收益转化为使用CHESS材料构建的热电模块在设备级效率提高近75%，在完全集成的制冷系统中效率提高70%，每一项都代表着与最.先.进的体热电设备的显著改进。
规模化生产的可能
除了提高效率之外，CHESS薄膜技术使用的材料也大大减少——每个制冷装置仅使用0.003立方厘米，或大约一粒沙子大小。这种材料的减少意味着APL的热电材料可以使用半导体芯片生产工具进行大规模生产，从而提高成本效率并实现市场的广泛采用。
这种薄膜技术有潜力从为小型制冷系统提供动力发展到支持大型建筑暖通空调应用，类似于锂离子电池被扩展到为小到手机和电动汽车的设备供电的方式。
此外，CHESS材料采用成熟的工艺制成，通常用于制造为卫星和商业LED灯供电的高效太阳能电池。
项目团队使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）来生产CHESS材料，这种方法以其可扩展性、成本效益和支持大批量制造的能力而闻名，MOCVD已经在商业上得到广泛应用，使其成为扩大CHESS薄膜热电材料生产规模的理想选择。”
除了制冷领域的最新进展外，这些材料和设备还继续显示出广泛的能量收集和电子应用的前景。APL计划继续与组织合作，改进CHESS热电材料，重点是提高效率以接近传统机械系统。未来的工作包括展示包括冰柜在内的更大规模制冷系统，以及集成人工智能驱动的方法，以优化制冷和暖通空调设备中分区或分布式冷却的能源效率。
除了制冷之外，CHESS材料还能够将温差（如体温）转化为可用功率，除了推进下一代触觉系统、假肢和人机界面外，这还为从计算机到航天器等各种应用的可扩展能量收集技术打开了大门——这些功能对于较旧的笨重热电设备来说是不可行的。
小结
纳米工程CHESS薄膜热电材料的成功验证，为其未来广阔的应用前景奠定了坚实基础。其发展潜力核心在于将高性能、微型化、可扩展制造和零污染特性完美结合。未来，该技术有望彻底重塑多个领域的温控解决方案。在家电领域，它不仅可用于开发完全无压缩机的静音、模块化冰箱，更能为空调系统提供按房间或区域精准控温的分布式冷却方案，极大提升能效。在电子领域，其极高的热流密度使其成为解决高性能芯片散热瓶颈的终极方案，为算力发展扫清障碍。在医疗领域，其精准的温控能力可用于便携式医疗冷藏设备、局部低温治疗及疼痛管理等领域。更重要的是，其与半导体工艺兼容的特性意味着它可以通过成熟的MOCVD技术进行晶圆级大规模生产，成本有望快速下降，加速商业化进程。最终，这种固态技术凭借其无可比拟的可靠性，将成为从深海探测到太空任务等极端环境下关键设备温控的首.选方案，真正开启一个高效、静音、零碳排的固态制冷新时代。
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