摘要
在全球能源危机与环境挑战的双重驱动下，开发高效、清洁且可持续的能源技术已成为迫切需求。在此背景下，基于空间能量捕获的自供能技术应运而生。本综述聚焦一种能够协同利用太阳与冷太空两大热源，在地球表面构建热能传输通道，从而实现全天候不间断电力输出的集成发电系统。该技术通过光热转换捕获太阳辐射能，借助辐射制冷效应将地表热量经由大气透明窗口排放至外太空，并利用热电转换器件将所形成的温差直接转化为电能。文章系统总结了近年来在纳米功能材料设计、器件结构优化、系统集成策略及其典型应用场景方面的研究进展，深入分析了系统昼夜运行性能、环境适应性和关键评价指标，同时探讨了光谱选择性调控机制、热管理结构设计以及规模化应用所面临的主要挑战。该技术为实现智能传感器、可穿戴电子设备和偏远地区供电系统提供了一种免维护、零能耗的可持续能源方案，具有推动能源技术革新的重要潜力。
Abstract
Driven by both the global energy crisis and environmental challenges, the development of efficient, clean, and sustainable energy technologies has become an urgent necessity. In this context, self-powered technology based on space energy capture has emerged. This review focuses on an integrated power generation system that can synergistically utilize two major heat sources—the sun and the cold space—to establish a heat transfer channel on the Earth′s surface, thereby achieving an integrated power generation system with all-day uninterrupted power output. The technology captures solar radiation energy through photothermal conversion, uses the radiative cooling effect to release surface heat into outer space through the atmospheric transparent window, and directly converts the resulting temperature difference into electrical energy using thermoelectric conversion devices. The article systematically summarizes recent research progress in the design of nanomaterials, device structure optimization, system integration strategies, and typical application scenarios. It provides an in-depth analysis of the system′s day-night operating performance, environmental adaptability, and key evaluation indicators, while also discussing the main challenges associated with spectral selectivity control mechanism, thermal management structure design, and large-scale application. This technology provides a maintenance-free, zero-energy-consumption sustainable energy solution for realizing smart sensors, wearable electronic devices, and power supply systems in remote areas, and has significant potential to drive energy technology innovation.
0 引言
浩瀚无垠的宇宙为地球提供了两种看似矛盾却相辅相成的能量源泉。其一是太阳，这颗炽热的恒星持续向空间辐射高达3.8×1026 W的惊人能量，到达地球大气层上界的太阳辐照强度约为1367 W·m-2，其光谱主要集中于可见光与近红外波段[1-2]。其二是太空深处近乎绝对的“冷”——宇宙微波背景辐射赋予太空仅3 K的等效黑体温度，构成了一个完美的冷阱环境[3]。这种极端的低温与高真空环境，使得太空成为近乎理想的热辐射吸收体。任何物体向太空辐射的能量几乎都被完全吸收而不会被反射回来。太阳这一“热源”与太空这一“冷源”在地球轨道上形成了巨大的温差，构成了空间能量捕获最根本的物理学基础(见图1(a))[4-6]。
捕获这两种空间能量，需要依靠两类光学特性截然相反的器件(见图1(b))[5]。光热吸收器是捕获太阳能量的核心，其设计目标是在太阳光谱波段(0.3~2.5 μm)实现极高的吸收率，将光能高效转化为热能(见图2)[7-9]。与之相对，辐射制冷器的功能则是在中红外波段“发光”——它利用材料的光子特性，在大气透明窗口(8~13 μm)内实现高发射率，使热量能以红外辐射的形式穿透大气层而直达外太空[10-11]。同时，辐射制冷器还需在太阳光谱波段具有极高的反射率，以避免吸收环境热量。
将这两种热捕获方式获取的温差转化为电能，需要依赖基于塞贝克效应的热电发电机：当 p 型和 n 型半导体热电材料两端存在温度差时，热端的载流子(空穴或电子)获得更高能量，向冷端扩散，从而在回路中形成电势差和电流[12]。在空间能量捕获系统中，光热吸收器可作为热电发电机的热端，吸收太阳辐射后形成高温；辐射制冷器则作为热电发电机的冷端，通过向太空辐射热量来保持低温。这种热端与冷端的协同设计，使得器件能够在同一平面或纵向结构中建立起持续稳定的温度梯度场，从而将空间赋予的“热”与“冷”这两种无处不在的能量形式，直接转换为可供使用的电能。
Fig.
1
Self-powered technology based on space energy capture: (a) Schematic diagram; (b) Implementation mechanism [6]
图
3
光热吸收器的原理：(a)表面等离子体共振效应；(b)电子-空穴的产生与弛豫效应；(c)分子热振动效应。光热吸收体的结构：(d)本征吸收型；(e)电介质-金属堆叠型；(f)电介质-金属复合型；(g)表面织构型[17]
Fig.
3
Principle of photothermal absorbers: (a) surface plasmon resonance effect; (b) generation and relaxation effect of electrons and holes; (c) molecular thermal vibration effect. Structure of photothermal absorbers: (d) intrinsic absorption type; (e) dielectric-metal stacked type; (f) dielectric-metal composite type; (g) surface texture type [17]
基于空间能量捕获的自供能发电技术，为实现分布式能源供给和极端环境下的自主供电提供了全新的解决方案[5]。在应用方面，该技术既可用于地面场景，比如为偏远山区的传感器网络、建筑物幕墙、户外装备提供免维护的清洁电力，也可拓展至航天领域，为深空探测器、月球基地等提供持续的热管理和辅助能源。然而，这一技术也面临着严峻的挑战：首先，热端与冷端在物理结构上需紧密耦合，但二者理想的光谱特性存在矛盾，如何在微纳尺度上实现“吸收”与“辐射”的频谱协同调控是核心难题；其次，大气环境的影响不可忽视，云层、湿度、气溶胶等都会显著改变大气透明窗口的透过率，导致辐射制冷功率波动；此外，热电材料的转换效率仍有待突破，如何在维持大温差的条件下提升能量转换密度，是推动该技术走向工程应用的关键。这些科学问题的解决，将有望开启一种全天候、自持续的新型能源利用范式[6]。
1 空间能量捕获自供能技术原理
1.1 光热吸收器
光热吸收器的核心在于将特定波段的光能高效转换为热能，其机理依材料类型而异，可分为三类[13-14]。表面等离子体共振效应主要发生在金属纳米结构中：入射光子诱发自由电子的集体相干振荡(即等离激元)，当振荡相位失谐(退相干)后，能量通过朗道阻尼机制产生热载流子，并经电子-电子和电子-声子散射过程耗散，最终转化为焦耳热，实现局域升温(见图3(a))。电子-空穴的产生与弛豫效应则主导于半导体材料：当入射光子能量大于材料带隙时，激发电子从价带跃迁至导带，形成电子-空穴对；随后，光生载流子通过电子-电子或电子-声子相互作用弛豫至能带边缘，将多余能量以热形式释放给晶格(见图3(b))。分子热振动效应常见于碳基及聚合物材料：光子的吸收导致分子从基态跃迁至激发态，随后通过电子-声子耦合或分子间非辐射弛豫，将能量转化为整个晶格的热振动(声子)，从而产生宏观温升(见图3(c))。
在实际的高性能光热吸收器中，这三种效应往往协同作用：通过表面等离子体共振效应增强局域光场以增加吸收截面，利用半导体结构在可见光波段高效产生电子-空穴对并实现热化，再通过电介质层在红外波段补充吸收以拓宽吸收光谱，最终实现从太阳辐射到热能的全光谱、高效率转换[15-17]。
为了在宏观尺度上增强光热捕获能力，可通过结构设计减少反射并增加光与材料的相互作用长度(见图3(d)~图3(g))。常见策略包括：设计均匀薄膜，利用特定厚度薄膜的干涉效应减少反射；设计电介质-金属多层结构，构成金属-介质-金属(Metal-Insulator-Metal, MIM)谐振腔或法布里-珀罗腔，通过阻抗匹配和腔内共振实现宽光谱高吸收性能；设计电介质-金属复合结构，通过金属纳米颗粒在介质基体中的弥散分布，调节等效光学常数并激发局域等离激元耦合；采用表面织构化设计，通过构建微纳尺度的周期性或随机粗糙表面(如锥状、沟槽或星形结构)，诱导光的多次反射、散射或者激发高密度“热点”，从而显著捕获光子并提升等效吸收率[18]。
图
4
提高辐射制冷器太阳反射率的方法：(a)金属镜面；(b)多层结构；(c)全内反射；(d) 米氏散射[21-22]。提高辐射制冷器中红外发射率的方法：(e)分子振动；(f)声子极化共振；(g)电磁共振；(h)渐变型界面[10,23]
Fig.
4
Methods to improve the solar reflectivity of radiative coolers: (a) metallic mirrors; (b) multilayerstructures; (c) total internal reflection; (d) Mie scattering [21-22]. Methods to improve the mid-infrared emissivity of radiative coolers: (e) molecular vibrations; (f) phonon polarization resonances; (g) electromagnetic resonances; (h) gradient interfaces [10,23]
1.2 辐射制冷器
辐射制冷器通过精准的光热管理，在无需能量输入的情况下实现被动降温[4,19]。其核心机理在于同时完成两项任务：最大限度地反射太阳光，避免热量输入；同时，最大限度地通过大气透明窗口向寒冷的外太空辐射热量。这种“一出一进”的能量博弈，依赖于对微纳尺度下光子传输行为的精确调控[3]。
在提高太阳反射率方面，目标是使材料在太阳光谱内具备接近完美的散射或反射能力。金属镜面(如银或铝)依靠高浓度的自由电子与入射光发生强烈的相互作用，通过等离子体效应实现宽带、高效的本征反射(见图4(a))。多层结构则利用不同折射率材料界面处的菲涅尔反射，通过设计膜层厚度和层数，使特定波长的反射光发生相长干涉，形成光子带隙，从而实现对太阳光谱的选择性反射(见图4(b))。全内反射通常借助具有三维网络结构的材料(如纳米纤维气凝胶)实现：当光线从高折射率介质射向低折射率介质且入射角大于临界角时，光线会被完全限制在材料内部反复反射，直至从入射面逃逸，从而极大延长光路并增强背向散射(见图4(c))。米氏散射则依赖于与太阳光波长尺寸相当的微球或微孔：当光入射时，会激发颗粒内部的电磁谐振模式，产生强烈的背向散射；其散射截面可远大于颗粒的几何截面(见图4(d))。
在提高中红外发射率方面，目标是使材料在8~13 μm波段具备高效的本征辐射能力[20]。分子振动是许多聚合物和极性材料(如聚二甲基硅氧烷、纤维素)实现辐射的物理基础，其分子键(如C-O-C、C-H)的伸缩或弯曲振动频率恰好落在中红外波段，从而实现高吸收/发射(见图4(e))。声子极化共振是离子晶体(如SiC、SiO₂、BN)的独特机制，光学声子与电磁波耦合形成表面声子极化激元，在Reststrahlen波段产生强烈的、近乎完美的共振吸收(见图4(f))。电磁共振则通过设计周期性亚波长结构(如金属超表面)，激发电感-电容谐振或腔模谐振，将特定波长的电磁场局域在结构表面，从而大幅增强吸收(见图4(g))。此外，渐变型界面通过构建从材料到空气的渐变折射率层(如纳米锥、蛾眼结构)，消除了光学界面的突变，使热辐射波能够无反射地逸出，实现宽带的阻抗匹配与高效发射(见图4(h))。
1.3 热电发电机
热电发电机基于塞贝克效应，利用半导体材料(如碲化铋、方钴矿等)将热能直接转化为电能(见图1(b))[24-25]。当 p 型与 n 型热电材料两端存在温差时，热端载流子获得更高能量后向冷端扩散，形成电势差与电流。该技术的核心优势在于具有全固态结构、无运动部件、运行安静可靠、寿命长且环境友好；其局限性在于当前能量转换效率相对较低(通常为5%~8%)，且高性能材料成本较高。在应用前景方面，热电技术可通过回收工业余热和汽车尾气废热来实现节能发电；在深空探测任务中(如放射性同位素热电发生器)为无人探测器提供数十年稳定电力；同时在物联网传感器、可穿戴设备等分布式低功耗场景中展现出广阔的自供能潜力。
2 实现空间能量捕获的设计原则
光热吸收器的设计准则是以最大化太阳能吸收与光热转换效率为核心，要求材料在太阳光谱波段实现宽谱高吸收，同时抑制热辐射损失(见图5)。为实现这一目标，研究者开发了多种结构策略：(1)杂化结构(如有机/无机杂化)通过分子能级调控增强非辐射弛豫，将激发能以热耗散形式释放；(2)多孔结构利用多次散射效应延长光在材料内部的传播路径，显著提升有效吸收率；(3)异质结结构通过能带匹配促进载流子分离，抑制辐射复合损失。这些结构的共同原理在于通过微观几何构型调控光子与物质的相互作用，延长光程或增强电子-声子耦合，从而将宽谱太阳光高效转化为热能。
辐射制冷器的设计准则则是追求完全相反的光谱特性：在太阳波段实现极高反射率(大于95%)以杜绝光热吸收，同时在大气透明窗口实现接近黑体的红外发射率，将热量辐射至外太空(见图5)[26]。几种典型结构如下：多层膜结构通过不同折射率材料的交替堆叠，形成布拉格反射镜，实现对太阳光的选择性反射；多孔/纤维结构利用米氏散射效应增强对太阳光的随机散射；仿生超结构(如模拟天牛绒毛和甲虫角质层的金字塔阵列)通过梯度折射率设计实现红外波段的阻抗匹配，同时结合金属反射层抑制太阳吸收。
尽管两类材料的光学需求看似对立，但是其微观设计哲学却高度相通——均依赖于光子晶体、微纳谐振腔、梯度折射率等结构光学原理，通过精准调控材料在不同波段的介电常数与几何特征尺寸，实现对“热”与“冷”两种空间能量的选择性捕获。这种原理上的相通性为二者的联合应用奠定了基础：在空间能量捕获系统中，光热吸收器和辐射制冷器可分别作为热电发电机的热端和冷端，通过光谱协同设计在同一器件中实现“吸热”与“制冷”的功能分区，从而自发建立稳定温差，实现全天候自供能发电。
Fig.
5
Design principles and structural examples of photothermal absorbers and radiative coolers [27-37]
3 自供能系统设计与应用场景
基于空间能量捕获的自供能技术特别适用于那些对供电可靠性要求高、传统能源难以覆盖的场景。在建筑领域，可将该器件集成于屋顶或幕墙，白天利用光热吸收器捕获太阳能来加热热端，夜间利用辐射制冷器向太空散热来冷却冷端，为楼宇自控传感器或灯光照明提供全天候的清洁电力。在沙漠、海岛等偏远无电网地区，这种器件能直接从环境中捕获“热”与“冷”两种能量，实现分布式气象监测站或通讯中继设备的自供能运行。此外，在工业领域，它可以部署于热电厂或化工厂的废热表面，通过光热端吸收废热、辐射制冷端维持冷端温度，实现废热资源的二次回收发电。这一自供能技术的核心优势在于无需燃料与运动部件，能够利用空间能量实现持续、安静、可靠的电力输出，在极地、太空等极端环境中同样具有应用潜力。
3.1 相变辅助的全天候自供能发电设备
相变材料是一类能够在特定温度(相变温度)下通过吸收或释放大量潜热来实现能量存储与释放的功能材料[38-39]。在光热-热电耦合系统中，相变材料的核心优势体现在以下三个方面：(1)具有高能量存储密度。利用固-液相变潜热，能够在体积受限的条件下存储大量的热能，弥补太阳能辐射强度随时间波动的缺陷。(2)具有恒温特性。在相变过程中，材料温度基本保持恒定。这一特性可用于稳定热电器件的冷端或热端温度，从而维持稳定的温差输出。(3)具有热缓冲与延时释放能力。通过合理设计相变温度，相变材料可以在日照充足时将多余热量“储存”起来，并在日落后或夜间将热量“释放”给热电模块，从而实现能量的时间平移。
在热电系统中，相变材料起到的核心效果是削峰填谷与增强温差：在日间，它可以吸收热端的多余热量以防止温度过高，或者存储冷端废热以控制冷端温度；在夜间，则作为“热电池”释放储存的热量，在缺乏太阳辐射的条件下继续维持热电模块所需的温差，从而有效延长发电时间，提升全天的能量输出稳定性。
Hou M等人通过单层多功能薄膜的一体化设计(集成光热转换、相变储能和辐射制冷)，利用相变材料解决太阳能间歇性与单一模式效率低的难题(见图6(a))[40]。日间薄膜吸收太阳能后储存热量并加热热电发电机热端；夜间辐射制冷使薄膜温度低于环境，利用已储存热量维持热电发电机热端温度，从而实现24 h连续发电以及6.1~21.1 W·m-2的输出功率密度(见图6(b)~图6(c))。
Fig.
6
(a) Phase-change materials and their principles; (b) Application scenarios; (c)-(d) Principlesof phase-change-assisted all-weather self-powered technology [40-41]
Liu M等人则采用VO₂基光谱自适应涂层(集成光热转换和辐射制冷)作为热电发电机的上端面，利用VO₂在315 K附近的金属-绝缘体相变，实现日间低红外发射率(减少热损)与夜间高红外发射率(增强辐射制冷)的自适应切换(见图6(d))[41]；同时热电发电机下端耦合石蜡/膨胀石墨复合相变材料，日间储存冷端废热，夜间释放热量，增大冷热端温差。户外实测显示，日间最大功率密度超过1000 mW·m-2，夜间达到25 mW·m-2。
这一策略克服了单一材料难以兼顾光热吸收与辐射制冷的光谱矛盾，实现了同一器件协同利用太阳“热源”与太空“冷源”的目标，并突破了传统太阳能发电仅在日间工作的限制。此外，相变材料的引入有效缓冲了能量供需的瞬时波动，增强了系统对环境变化的适应性。此类技术适用于建筑一体化发电、野外监测节点、可穿戴设备以及航天器热管理与辅助能源系统，为离网场景提供了一种全天候、自持续的能源解决方案。
Fig.
7
(a)-(b) Planar self-powered generator; (c) Lens-enhanced compact all-weather self-powered device; (d) Highly integrated compact all-weather self-powered device [42,43,46,47]
3.2 紧凑型全天候自供能设备
将光热吸收器/辐射制冷器、热电发电机以及热管理单元(如相变材料或热集中元件)在空间结构上进行高度整合，构造成紧凑型集成发电设备。这样可以缩短热流路径和减少寄生热损失，实现从“热源(太阳)”与“冷源(太空)”到电能的高效转换。紧凑型集成发电设备显著提升了系统的能量密度与响应速度，通过减少各功能层之间的界面热阻与不必要的热交换，最大化利用了有限的温差。这种设计有效解决了传统分体式系统因热传输损耗大、结构冗余导致的净输出功率低下的问题，使得在微小型化或平面化尺度上捕获空间能量成为可能。
通过丝网印刷和刮涂工艺可以在柔性热电发电机上集成异质光吸收层和辐射制冷层，实现横向共面温差，因此适合自供能可穿戴设备(见图7(a)~图7(b))[42-43]。多层堆叠的“纵向三明治”结构通过在垂直方向上集成热电发电机、光热吸收器和辐射制冷器，构建纵向温差，实现自供能发电，适用于建筑屋顶、野外监测站等静态场景。
Ishii S等人将透明热电薄膜沉积在玻璃两侧并垂直置于透明顶板(辐射制冷器)和黑色底板(光热吸收器)之间，实现了太阳与太空能量的无遮挡协同捕获。该方法虽然工艺复杂，但为建筑光伏光热一体化提供了新思路[44]。Lv S等人设计了真空腔体耦合辐射制冷-热电-光热集成发电系统，并利用反射镜改变太阳光光路，建立温度的纵向热流。通过真空环境抑制热对流和面积优化实现了高达1824.95 mW·m-2 的峰值功率密度，适用于野外传感器等离网节点[45]。Kang Y等人构建了包含菲涅尔透镜聚光、光热吸收/辐射制冷双功能层、以及石蜡相变储热的发电系统。他们利用透镜大幅提升热流密度，并用相变材料缓冲昼夜能量波动。该方法用于建筑屋顶时，可实现日间4.1 mW·cm-2、夜间0.2 mW·cm-2的全天候发电(见图7(c))[46]。Zhang S等人基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)技术制备了具有572对热电单元的芯片级热电发电机，并在其上下表面分别集成光热吸收层(吸收率为96%)与辐射制冷层(发射率为92%)。通过对比正反装结构，发现辐射制冷端朝上且面积更大时，热管理更优，实现了芯片级全天候微瓦级发电(见图7(d))[47]。
光热-热电-辐射制冷耦合技术正在向微型化、集成化与智能化发展。从柔性可穿戴到芯片级微能源，从单一功能叠加到光谱自适应与垂直结构创新，紧凑型设计正成为提升能量密度、拓展应用场景的关键路径。未来，随着材料制备工艺与热管理策略的持续优化，这类系统有望为物联网、可穿戴电子设备以及分布式传感器提供真正全天候、免维护的自主能源解决方案。
3.3 立体柔性自供能设备
柔性三维结构设计解决了传统刚性热电发电机柔性不足、界面热阻高、温度梯度受限等问题，突破了平面器件热管理的物理极限；通过构筑立体热传输路径，在保持器件柔性的同时实现热端与冷端的空间分离。这种设计解决了传统平面薄膜器件因热短路效应导致温差难以建立的痛点，同时消除了刚性散热器对器件柔性的限制。其重要意义在于：一方面，三维结构通过增加有效热传输距离，能够放大热电器件两端的温度梯度；另一方面，结构本身可作为机械支撑，避免因弯曲变形导致的热电臂断裂或接触失效。这类设计为可穿戴电子设备、物联网传感器、建筑集成光伏/热系统等需要贴合复杂曲面、实现全天候自供能的场景提供了关键技术支撑。
Chen C等人采用Janus螺旋带状结构，通过有序Te纳米线薄膜的原位氧化还原反应，在同一薄膜上同时构建了 n 型与 p 型热电单元以及光热吸收层，并创新性地将辐射制冷层置于螺旋结构的上表面，将选择性太阳吸收层置于下表面，实现了冷端与热端的空间分离[48]。在户外实测中，该器件在仅614 W·m-2的弱太阳辐照下即可建立高达29.5 K的温差，并在夜间利用辐射制冷效应保持约0.3 mV的电压输出，实现了基于单一器件的全天候自供能发电(见图8(a))。
Wang H等人提出了基于热致动效应的波浪结构设计。通过全打印工艺，将表面功能化的单壁碳纳米管精确排布成 p-n 结阵列，并在聚酰亚胺基底上复合Al₂O₃@聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)层。该设计的精妙之处在于利用Al₂O₃@PDMS与聚酰亚胺(Polyimide, PI)之间的热膨胀系数差异，使器件在光照下自动卷曲形成波浪状三维结构，从而在冷热端之间形成稳定的温差(20 K)。同时，Al₂O₃纳米颗粒在中红外波段的高发射率为器件赋予了辐射制冷能力，使其在夜间仍能保持约3 K的温差，实现了全天候自供能传感与能量采集(见图8(b))[49]。
将光热吸收与辐射制冷这两种光谱特性相反的单元分别置于热电发电机的两侧，利用三维结构实现热端与冷端的空间解耦和热管理优化。这种将材料设计、结构工程与热光子学深度融合的思路，为开发兼具高能量密度、环境自适应性和机械柔性的下一代自供能系统奠定了重要基础。
3.4 可穿戴自供能设备
可穿戴热电发电器件面向的是人体这一独特的、动态的热源环境，其应用场景面临佩戴舒适、热源特性复杂和全天候供能等方面的需求[50-51]。佩戴舒适性是首要考量，要求器件兼具柔性、可拉伸性和轻薄特性，能够贴合皮肤或织物且不引起异物感；人体(约37 ℃)与环境温差通常仅有几摄氏度至十几摄氏度，且受环境温度、风速、光照等因素的显著影响，如何建立稳定的温差也是可穿戴热电发电器件走向应用的重大挑战；此外，可穿戴设备需在室内外、昼夜交替等不同场景下持续工作。因此，如何在保障舒适性的前提下，最大化地利用有限的人体热流并稳定建立温差，是可穿戴热电技术的核心挑战。
Liu J等人通过静电纺丝与丝网印刷技术，创新性地将聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(Polyvinylidene Fluoride-Hexafluoropropylene, PVDF-HFP)辐射制冷膜与碳纳米管基光热/热电阵列集成于纺织品，构建了辐射调控的热电织物(见图9(a))。其核心在于利用PVDF-HFP的高太阳反射与中红外发射特性实现被动制冷，同时利用碳纳米管的优异光热效应吸收太阳能，在热电单元两端形成显著温差从而驱动发电(见图9(b))。该设计实现了无需外部能源输入的持续电力输出与人体热管理，具有可规模化制备、柔性透气、耐水洗以及环境自适应等特点，为自供电可穿戴电子设备提供了零能耗、高性能的实用化解决方案(见图9(c))[52]。
Zhang S等人聚焦于光谱精准调控与系统集成，通过磁控溅射制备了具有多层膜结构的选择性太阳吸收器，并采用溶剂相分离法制备了多级多孔辐射制冷器。他们将这两种光谱选择性器件与优化设计的回形热电腿阵列集成，构建了两种新型器件：以光热为主的太阳能-热电发电机(Solar-Thermoelectric Generator, S-TEG)和以辐射制冷为主的辐射制冷-热电发电机(Radiative Cooling-Thermoelectric Generator, RC-TEG)。户外实测表明，在人体穿戴场景下，S-TEG的日间功率密度可达198 mW·m-2，RC-TEG的夜间功率密度可达86 mW·m-2。此外，他们还将这一概念拓展至机器人皮肤领域，展示了广阔的应用前景(见图9(d))[53]。
Fig.
9
(a)-(c) Fabric-based wearable self-powered generators: preparation method, mechanism andapplication scenarios; (d) Ring-shaped wearable self-powered generators[52-53]
综上所述，可穿戴热电技术展现了从“被动利用体温”向“主动调控热流”演进的重要趋势。将光热吸收与辐射制冷这两种空间能量捕获机制柔性化、集成化地融入可穿戴系统，是突破传统可穿戴热电技术功率密度瓶颈、实现全天候自供能传感的关键路径。
4 总结与展望
基于空间能量捕获的自供能发电技术，核心在于利用太阳(约5800 K高温热源)与太空(约3 K深冷源)之间的巨大温差，通过热电效应将空间能量直接转换为电能。在器件设计上，已从单一的光热吸收层或辐射制冷层，发展为集成相变储能、光谱选择性吸收与发射、微纳结构调控的多功能复合体系(如多层薄膜、Janus螺旋结构、波浪形可变形薄膜等)，实现了日间光热收集与夜间辐射制冷的自适应切换，显著提升了全天候的温差维持能力。在应用场景方面，该技术已拓展至建筑一体化发电(如屋顶、幕墙)、户外物联网传感器自供能、可穿戴电子设备(利用人体-环境温差)以及航天器热管理与辅助能源系统。
未来，该技术的发展将聚焦于几个关键方向：一是材料层面，需进一步开发兼具太阳吸收率与红外发射率调控能力的光谱选择性材料，并探索新型热电材料以提升转换效率和柔韧性；二是系统层面，通过MEMS技术实现器件微型化与阵列化，并结合智能电源管理电路，优化能量收集效率；三是应用层面，随着零能耗建筑、智能织物和深空探测需求的增长，该技术有望与建筑围护结构、柔性电子设备深度融合，构建全天候、自适应的分布式能源网络，为极端环境和偏远地区提供可靠的清洁电力。