這是夏天的一個夜晚。在一棟安靜建筑的屋頂上，一組面板利用高空的低溫帶走熱量并進行發(fā)電，從而為房間降溫和照明。實際上，建筑外圍的空氣溫度不低，此時的夜晚還是很熱，因此“低溫”并非源自這里。更準(zhǔn)確地說，面板是在透過地球大氣層，吸取來自太空的低溫。?聽起來很瘋狂？誠然，此項技術(shù)尚未完全可用。但是我們已經(jīng)證明，可以直接使用太空低溫產(chǎn)生的能量，在白天用冷水（不用電）為建筑物降溫（最多可降低5攝氏度），在夜晚不用電線或電池來實現(xiàn)照明。隨著技術(shù)的進步，太陽能面板無論是白天還是晚上都將可以工作，為傳感器供電。

人類自從第一次學(xué)會用火以來，就一直在利用熱。今天，人們用技術(shù)將氣體燃燒、核裂變、地核、太陽和其他來源的熱量轉(zhuǎn)化為有用能量，支撐著現(xiàn)代生活。

熱提供了如此多的可用能量，我們卻忽略了另一種能量來源：低溫。深空的低溫是一種大部分尚未得到利用的熱力學(xué)資源。是的，深空很遙遠，但距離并不妨礙它的應(yīng)用，特別是當(dāng)我們考慮到宇宙廣闊空間的溫度有多低時：深空的溫度大約只有3開爾文。

我們通常意識不到這種低溫存在，因為陽光和大氣反射的輻射，都會讓我們周圍的溫度升高。而大約10年前，我們在斯坦福大學(xué)的研究團隊設(shè)計了一種材料，能夠非常有效地將冷庫中的熱量傳出來，同時防止來自太陽和環(huán)境中的熱量進入冷庫。事實上，該材料非常有效，即使在陽光直射下，也能夠?qū)⒆陨淼臏囟冉档偷降陀谥車h(huán)境的溫度。

這真的很“酷”。熱量自發(fā)地從地球上的一個物體流向宇宙，就像水從地勢較高的地區(qū)流向大海一樣，我們可以借此機會在途中收獲有用的能量。

對于流動的水，渦輪機可收集水流的能量來發(fā)電。對于從地球流向深空的熱量，我們已經(jīng)有了幾個有希望實現(xiàn)的概念，但仍在試圖找出最佳的機制。

在講述這些觀點和原型之前，首先來了解輻射在維持地球能量平衡中的作用。

輻射是熱傳遞的3種機制之一，另外兩種是熱傳導(dǎo)和熱對流。熱傳導(dǎo)源于原子相互間的振動，這在固體中很常見；熱對流源于粒子（例如空氣中的氣體分子）的整體運動。熱傳導(dǎo)和熱對流都需要介質(zhì)，而以電磁波形式傳播的輻射不需要介質(zhì)，且可以傳播很長的距離。

再想想將熱量從太陽帶到地球表面的太陽輻射。在陽光明媚的日子里，身體吸收陽光時，會感覺到變熱。地球上的物體也會輻射熱量：在晴朗的夜晚，我們的身體會感到?jīng)鏊?，其中一部分原因就是熱量輻射到空中?/p>

以太陽能形式存在的入射輻射已經(jīng)成為可再生能源的主要支柱，而出射輻射在很大程度上仍未用于產(chǎn)生能量。出射輻射將熱量從地球上的物體發(fā)送到外太空，那里的熱容量幾乎是無限的。用此方式散熱可以將物體冷卻到比周圍溫度低幾十度。

我們可以利用溫差發(fā)電。熱電發(fā)電機（TEG）的工作原理是塞貝克效應(yīng)，即某種材料可隨著溫度變化產(chǎn)生電勢差。我們可以通過有控制地添加雜質(zhì)（即摻雜）來操縱半導(dǎo)體中的塞貝克效應(yīng)。

摻雜可以將宿主半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成帶有可移動負電荷電子的n型半導(dǎo)體，或者帶有可移動正電荷空穴的p型半導(dǎo)體。在兩種情況下，將這些半導(dǎo)體橋接跨越溫差，電子或空穴會聚集在較冷端附近。因此，在熱端，n型產(chǎn)生正電勢，p型產(chǎn)生負電勢。

熱電發(fā)電機由n型和p型半導(dǎo)體交替成對鏈接組成，從n型半導(dǎo)體正溫差獲得的電壓與從p型半導(dǎo)體負溫差獲得的電壓相加。在熱庫和冷庫之間橋接一個熱電發(fā)電機，可以將熱差轉(zhuǎn)為電能。

如果將周圍環(huán)境作為熱庫，就可以利用來自深空的低溫來建造冷庫。

要實現(xiàn)這個目標(biāo)，我們先使用發(fā)射器將熱量發(fā)送到太空，發(fā)射器將自身冷卻到比周圍環(huán)境更低的溫度，此現(xiàn)象稱為輻射冷卻。然后，再將一臺熱電發(fā)電機放置在低溫的發(fā)射器和高溫的周圍環(huán)境之間，就可以進行發(fā)電了。

發(fā)射器將熱量輻射到地球大氣層之外，但是僅有某些波長的光子可穿過大氣層。一般地球物體的熱輻射集中在中紅外波長的范圍，最合適的大氣透射的波長范圍是8至13微米。

甚至一些簡單的發(fā)射器也可以在這些波長發(fā)出熱輻射。例如，如果與周圍環(huán)境隔絕，暴露在夜空下的黑色涂料在該波段內(nèi)發(fā)出的輻射可使其表面降低10攝氏度。

波長范圍在8至13微米以外的大量輻射會被大氣反射回來。在白天，還有太陽輻射起作用。高級的發(fā)射器設(shè)計確保僅通過透射窗口吸收和發(fā)射，從而避免來自大氣和陽光的入射輻射。使用此類波長選擇發(fā)射器進行輻射制冷的概念可以追溯到克萊斯-戈蘭?格蘭奎斯特（Claes-G?ran Granqvist）及其合作者在20世紀(jì)80年代的開創(chuàng)性工作。就像工程師設(shè)計具有特定形狀和尺寸的無線電天線，從而在特定方向發(fā)射特定波長一樣，我們可以使用各種材料設(shè)計發(fā)射器，每種材料都具有特定形狀和尺寸，可以調(diào)整熱輻射的波段和方向。我們做得越好，發(fā)射器向太空中發(fā)射的熱量就越多，發(fā)射器的溫度就越低。

玻璃是制作發(fā)射器的極佳材料。其原子振動與約10微米波長的輻射強烈耦合，迫使材料通過透射窗口發(fā)射大量熱輻射。只要在晚上摸一下玻璃窗，就能感到這種降溫效果。添加一層金屬膜有助于將輻射反射到空中，使輻射（冷卻）更加有效。此外，玻璃的結(jié)構(gòu)可以設(shè)計成能夠特別強烈地反射陽光波長的形式。

10年前，我們的研究團隊創(chuàng)造出第一種輻射冷卻材料，可在白天工作，即使在直射陽光下，也能有效地將自身冷卻到環(huán)境溫度以下。材料由交錯放置在銀反射層上的氧化鉿（HfO2）薄膜和玻璃構(gòu)成。通過仔細選擇每層薄膜的厚度，我們可以使材料幾乎完全反射太陽輻射，同時通過大氣透射窗口發(fā)送出熱量。

自此之后，許多研究團隊都展示了各種在白天進行輻射冷卻的設(shè)計?？屏_拉多大學(xué)博爾德分校的一個研究團隊設(shè)計了一種發(fā)射器，在聚合物薄膜中嵌入微小的玻璃珠，并在薄膜背面鍍上薄薄的一層銀。玻璃珠在聚合物中發(fā)出熱輻射，銀涂層則反射入射的陽光。

至于我們的材料，有一項應(yīng)用已經(jīng)商業(yè)化：它可以在不用電情況下實現(xiàn)降溫，從而減少或消除對建筑物空調(diào)的需求。我們研究團隊衍生的公司SkyCool Systems銷售無源降溫面板，既可作為獨立的降溫系統(tǒng)，也可以作為現(xiàn)有空調(diào)和制冷系統(tǒng)的附件。到目前為止，SkyCool Systems已經(jīng)在美國的許多雜貨店安裝了這種面板。

利用深空的低溫獲取能量的技術(shù)仍在開發(fā)中。作為我們的第一個概念驗證，我們用刷有黑色涂料的鋁板做了一個簡單的發(fā)射器。我們將發(fā)射器裝在泡沫盒中，罩上透明的聚乙烯薄膜罩子，使得發(fā)射器能夠向太空輻射熱量，同時隔離周圍的熱量。

然后，我們在泡沫盒底部切開一個小洞，將現(xiàn)成的熱電發(fā)電機連接到發(fā)射器，作為冷槽（cold sink）。在發(fā)電機熱端，我們安裝了能夠無源地從周圍環(huán)境收集熱量的熱槽（heat sink）。

為了避免與陽光“抗?fàn)帯?，我們在晚上測試這個裝置。在斯坦福大學(xué)戴維?帕卡德電氣工程大樓的屋頂，我們的發(fā)射器的功率密度為25毫瓦/平方米，可以點亮一個LED。

我們的系統(tǒng)與太陽能面板類似，于是開始考慮將這兩種技術(shù)結(jié)合起來，制造白天和夜晚都能發(fā)電的裝置。商用硅太陽能電池的頂部通常有由硅玻璃制成的保護層，可大量傳送穿過大氣層的熱輻射。我們以玻璃作為發(fā)射器，使用與第一次演示相似的絕緣裝置，并在玻璃和太陽能電池之間插入熱電發(fā)電機，在夜間實現(xiàn)了50毫瓦/平方米的功率，而不會中斷白天的光伏發(fā)電功能。

發(fā)射器以大氣層透射窗口內(nèi)的波長輻射熱量時，發(fā)射器的溫度會降下來，成為冷庫。用周圍的空氣作為熱端，用發(fā)射器作為冷端，熱電發(fā)電機可以發(fā)電。

雖然很有趣，但50毫瓦/平方米的功率密度幾乎沒有實際用途，就算是安裝在一個郊區(qū)雜貨店4000平方米的屋頂上，也只能達到200瓦/平方米，大約可為一個小冰箱供電。我們需要提高能量采集器的功率密度，吸引人們選擇它為夜間照明和為其他低功耗電子設(shè)備供電。因此，我們開始進行模型仿真，測試和修改裝置，并發(fā)現(xiàn)有多種方法可改進設(shè)計。

問題的關(guān)鍵在于，如何在給定發(fā)射器面積下優(yōu)化熱電發(fā)電機的尺寸。對于給定發(fā)射器和周圍環(huán)境之間的溫差，較大的發(fā)電機可以發(fā)出更多的電力，但是由于更多熱量在兩者之間流動，降低了發(fā)射器可以維持的溫差。通過適當(dāng)?shù)钠胶?，我們演示了僅使用刷有黑色涂料的發(fā)射器，功率密度可加倍至100毫瓦/平方米以上。

將發(fā)射器與周圍環(huán)境隔熱，以使其達到很低的溫度也非常重要。顯然，有許多絕緣材料比我們演示時所使用的材料好。

最后，光譜選擇性好的發(fā)射器，如玻璃珠設(shè)計和上述多層氧化鉿設(shè)計，可以冷卻到比涂有黑色涂料的鋁更低的溫度，增加功率密度。

將所有這些優(yōu)化集中起來，我們計算出此技術(shù)可實現(xiàn)的最大功率密度為2.2毫瓦/平方米。這比太陽能電池在陽光下產(chǎn)生的功率密度要低得多。但是，當(dāng)不易獲得陽光時，這就非常有用了，比其他許多環(huán)境能量收集方案的功率密度要高得多。例如，從周圍無線電波中獲取能量的功率密度不足1毫瓦/平方米 ，我們方案的功率密度要高得多。

我們此處的方法依賴于使用發(fā)射器將熱輻射發(fā)送到低溫區(qū)域，并作為局部冷庫。這意味著必須將發(fā)射器隔離，防止熱量持續(xù)侵入，保持溫差。

但是如果不用局部溫差來發(fā)電呢？為了回答該問題，我們研究了光伏發(fā)電，確定是否存在不是利用陽光，而是利用深空低溫工作的冷模擬（cold analog）。

在收集太陽能的過程中，光伏電池直接利用太陽輻射發(fā)電，這是由于在吸收光線時，半導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)生的狀況?；叵胍幌?，在室溫?zé)峒ぐl(fā)的條件下，無摻雜半導(dǎo)體中的電子和空穴（半導(dǎo)體中的電荷載體）一般數(shù)量很少。但是如果用能量大于半導(dǎo)體帶隙的光子轟擊半導(dǎo)體，則會產(chǎn)生許多電子和空穴。為了分離光產(chǎn)生的電子和空穴，我們將選擇性觸點（只允許一類電荷載體通過）放置在半導(dǎo)體兩側(cè)。常用方法是在半導(dǎo)體一側(cè)摻雜，形成p型，讓空穴通過并阻擋電子，在另一側(cè)摻雜形成n型，讓電子通過并阻擋空穴。結(jié)果是在p側(cè)積累空穴，在n側(cè)積累電子，使p側(cè)相對于n側(cè)形成正電勢；連接負載時，電子從n側(cè)流出。

下圖這張熟悉的光伏發(fā)電運行圖假設(shè)地球上相對低溫的光伏電池暴露在高溫天體（例如太陽）明亮的輻射中。冷模擬是地球上面向空曠太空的光伏電池。在這里，地球比太空溫度高，這種溫差意味著地球上的光伏電池會向太空發(fā)射凈輻射。

光伏電池可以通過吸收和放射熱輻射來發(fā)電。當(dāng)電池暴露于高溫物體的熱輻射時，會形成大量電子-空穴對，電池產(chǎn)生正電勢;當(dāng)電池暴露于較低溫物體時，電池中的電子和空穴會復(fù)合形成向外的輻射，電池產(chǎn)生負電勢。

在此類情況下，半導(dǎo)體中的電子和空穴重新組合并成輻射光子，反向光吸收的過程。重新組合耗盡了電子和空穴，從p側(cè)拉走空穴，從n側(cè)拉走電子。由于沒有入射輻射來平衡輻射復(fù)合，兩端電荷減少導(dǎo)致p側(cè)相對于n側(cè)產(chǎn)生負電勢。連接負載，電子從p側(cè)流出。電壓極性與低溫光伏電池吸收高溫太陽輻射的情形相反，但其仍然是電。這種太陽能電池面對低溫物體產(chǎn)生能量的現(xiàn)象并不奇怪；其隱含在眾所周知的肖克利-奎伊瑟效率極限中，解釋了太陽能電池的最大理論效率。

最近，我們研究團隊和其他人一起研究使用這此類裝置，從宇宙中源自地球的熱輻射中獲取電力的可能性。對于其釋放的凈輻射，我們稱之為“負”光照，以區(qū)別于發(fā)生在太陽能電池的“正”光照。有些人把這種方法稱之為熱輻射能量收集。

為了使負光照能夠在地球上收集能量，需要將光伏電池發(fā)射的輻射波長約束在大氣層透射窗口以內(nèi)。在此窗口以內(nèi)，電子和空穴可以復(fù)合形成向外的輻射；在此窗口之外，輻射會從大氣層反射回來，破壞形成負電勢的過程。為了對準(zhǔn)該透射窗口，我們制造光伏電池時必須用帶隙很小的半導(dǎo)體，大約為0.09電子伏特，這對應(yīng)于透射窗口的邊緣，波長為13微米。

這確實能在不使用硅的情況下實現(xiàn)。在我們的第一個實驗室試驗中，使用了帶隙約為0.1電子伏特的碲鎘汞（MCT）光伏電池。通過將碲鎘汞電池指向溫度受控表面，我們證實了負光照效應(yīng)。該裝置允許我們加熱溫控表面，發(fā)射出更多的輻射，即讓碲鎘汞電池在正光照下工作，然后冷卻溫控表面，使碲鎘汞電池切換到負光照。通過改變溫控表面的溫度，我們能夠通過電池輸出電壓的相應(yīng)變化，觀察到正光照和負光照之間的轉(zhuǎn)換。

2023年11月重復(fù)2017年的概念驗證(左圖)，用涂有黑色油漆的鋁板作為發(fā)射器，將其放在隔熱箱內(nèi)，其塑料罩子允許中紅外輻射通過。插在隔熱箱底部的熱電發(fā)電機使用發(fā)射器作為冷源、金屬支架作為其熱源，可為LED供電。

在最近的實驗中(右圖)，將太陽能電池作為發(fā)射器。白天，太陽能電池利用陽光發(fā)電。同時，熱電發(fā)電機利用太陽能電池與低溫環(huán)境之間的熱流產(chǎn)生額外的電力。夜晚，發(fā)電機發(fā)電利用相反的熱流，即在高溫環(huán)境和低溫發(fā)射器之間的熱流發(fā)電。

然后，我們把碲鎘汞電池拿到實驗室外，指向夜空，利用宇宙低溫測試此效應(yīng)。這樣做確實可以發(fā)電，但功率密度只有64毫瓦/平方米，比采用發(fā)射器的方法低得多。

這要歸咎于幾個因素。首先，碲鎘汞電池的帶隙有點高，不在理想的透射窗口之內(nèi)；第二，帶隙低的半導(dǎo)體受非輻射過程的影響很大，也就是說，電子-空穴重新組合不會發(fā)出輻射。綜合起來，這些因素降低了我們的電池可提供的能量。

在幾乎完美的情景中，即用我們所發(fā)現(xiàn)的最佳材料制作發(fā)射器和負照明光伏電池，并解決所有的設(shè)計問題后，我們計算出熱電發(fā)射器系統(tǒng)和負光照方法的最大功率密度約為5 瓦/平方米。這大約是商用太陽能電池在日照峰值（大致相當(dāng)于在明亮光照的辦公室內(nèi)）情形下的1/30。

在比較現(xiàn)實的情景中，我們認為功率密度可達到1瓦/平方米數(shù)量級。這聽起來可能不多，但已足夠為LED照明和空氣質(zhì)量傳感器供電，并持續(xù)為智能手機電池充電。從長遠來看，如果有一天人類住在遙遠的小屋，遠離電網(wǎng)，沒有電池，此時利用來自地球大氣層以外的入射和出射輻射來供暖、降溫和晝夜不斷地發(fā)電，也許并非不切實際的幻想。

作者：Sid Assawaworrarit、范汕洄