纳米工程化热电材料实现可规模化无压缩机制冷

5月21日发表于《自然·通讯》的一篇论文中，APL研究团队与三星电子制冷工程师展示了制冷系统中热泵效率与容量的提升，这归功于APL研发的高性能纳米工程热电材料——被称为受控分层工程超晶格结构（CHESS）。

CHESS技术源自APL十年在先进纳米工程热电材料与应用开发领域的研究。该材料最初为国家安全应用而开发，亦曾用于假肢无创冷却疗法，并于2023年荣获R&D 100创新大奖。

联合项目首席研究员、APL热电技术首席专家Rama Venkatasubramanian表示："这项采用新型热电材料的制冷实景验证，彰显了纳米工程CHESS薄膜的卓越性能。它标志着冷却技术的重大飞跃，为将热电材料突破转化为实用、大规模、高能效制冷应用奠定基础。"

固态冷却新标杆

人口增长、城市化进程及对先进电子设备与数据基础设施日益增长的依赖，共同推动着高效紧凑冷却技术的发展。传统冷却系统虽有效，但通常体积庞大、能耗高，且依赖可能危害环境的化学制冷剂。

热电制冷被广泛视为潜在解决方案。该方法通过电子在特种半导体材料中定向移动热量实现冷却，无需运动部件或有害化学物质，使新一代制冷设备具备静音、紧凑、可靠且可持续的特性。块体热电材料虽用于迷你冰箱等小型设备，但其效率有限、热泵容量低以及与可扩展半导体芯片制造工艺的兼容性问题，长期阻碍了其在高性能系统中的广泛应用。

研究中，团队在标准化制冷测试中对比了传统块体热电材料与CHESS薄膜材料制冷模块的性能，通过测量相同商用冰箱测试系统达到不同制冷水平所需电力进行量化评估。三星电子制冷团队在材料工程师Sungjin Jung带领下，与APL合作通过精密热力学建模验证结果，量化热负荷与热阻参数，确保真实工况下的性能评估准确性。

结果令人瞩目：使用CHESS材料，APL团队在室温（约80华氏度/25摄氏度）条件下实现较传统热电材料近100%的效率提升。团队进一步将材料级优势转化为器件级突破：采用CHESS材料的热电模块效率提升近75%，全集成制冷系统效率提升70%，均显著超越当前最先进块体热电设备。测试在模拟实际运行的高热泵负荷条件下完成。

规模化设计

除提升效率外，CHESS薄膜技术的材料消耗量极低——每制冷单元仅需0.003立方厘米，约一粒沙的体积。这种材料精简意味着APL热电材料可利用半导体芯片生产工具实现大规模制造，提升成本效益并推动市场普及。

Venkatasubramanian指出："该薄膜技术有望从小型制冷系统扩展至建筑暖通空调应用，其发展路径类似锂离子电池从手机到电动车的规模化应用。"

此外，CHESS材料采用成熟工艺制造，该工艺广泛用于生产卫星用高效太阳能电池及商用LED照明。

APL金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术负责人、高级研究工程师Jon Pierce说明："我们采用MOCVD工艺制备CHESS材料，该方法以可扩展性、成本效益及支持大批量生产的能力著称。MOCVD已在商业领域广泛应用，是扩大CHESS薄膜热电材料生产的理想选择。"

除制冷领域突破外，这些材料与器件在能量收集与电子应用中持续展现潜力。APL计划继续深化合作，重点提升CHESS热电材料效率以逼近传统机械系统水平。未来计划包括演示更大规模制冷系统（含冷冻柜），并集成人工智能驱动方法优化冰箱及暖通设备的区域化/分布式冷却能效。

APL研究与探索发展任务部勘探项目区经理Jeff Maranchi强调："除制冷外，CHESS材料还能将体温等温差转化为可用电力。这不仅推动新一代触觉系统、假肢与人机接口发展，更为计算机至航天器等应用开启可扩展能量收集技术的大门——这些能力是传统笨重热电设备无法实现的。"

APL技术商业化经理Susan Ehrlich总结道："此次合作的成功证明，高效固态制冷不仅具有科学可行性，更能实现规模化生产。我们期待持续开展研究并与企业推进技术转化，共同将这些创新成果应用于现实场景。"