近年来,随着全球对清洁能源需求的不断增长,太阳能热电发电器(STEG)作为一种新兴的太阳能利用方式,引起了科研界和产业界的广泛关注。不同于传统的太阳能光伏系统,太阳能热电发电器利用热电材料基于塞贝克效应,将温差直接转换为电能,具备结构紧凑、无需移动部件的显著优势。然而,STEG技术的发展长期受到热电材料转换效率偏低及热管理系统设计不完善的瓶颈限制,制约了其输出功率和商业化应用的广度。最新的研究成果通过飞秒激光光谱工程和热管理的联合优化,实现了STEG性能的十五倍提升,且重量仅增加了约25%,为该领域带来了革命性突破。飞秒激光作为一种超高速激光加工技术,能够在金属表面产生精细的纳米和微米级结构。通过对热电发电器热端采用该技术处理的钨金属表面,实现了高选择性的太阳光吸收特性。
钨经过飞秒激光加工后,其表面形成了复杂的纳米结构,显著提升了对全光谱太阳辐射的吸收效率,达到80%以上,同时有效抑制了红外波段的辐射发射,以降低热能散失。这样的选择性太阳吸收体(W-SSA)不仅保证了高温下的吸收效率,也确保了机械结构的稳定性和耐久性。与此同时,针对STEG热端的对流散热问题,研究团队设计并制作了一种类似温室效应的小型腔体结构。该腔体利用薄塑料膜与空气层,形成热阻,显著减少了对流引起的热损失,研究表明仅通过5毫米厚度的空气层即可有效隔绝热对流,使得热端的温度得以进一步提升,保证更大的温差差异。温差的增大直接促进了热电器件的发电能力提升。冷端的热管理同样关键。
为了最大化冷端散热能力,保证热端维持在高温而冷端保持较低温度,研究团队将飞秒激光技术应用于铝面,通过精细刻蚀打造微结构化散热器。该微结构散热器不仅扩大了表面积,提升了通过对流的热交换效率,还增强了其红外辐射能力。与传统的铝散热器相比,微结构散热器在同等面积下发散热功率近乎翻倍,更高效地维持冷端低温状态。这种散热性能的提升,辅助增大了STEG冷热端的温差,从而实现整体发电性能的质的飞跃。热端W-SSA的高效光谱吸收和低辐射散热结合空气层减少对流,冷端μ-散热器的微结构设计共同构成了有效的热管理体系。实验数据表明,单纯采用热端光谱工程处理便可让STEG的输出功率提升近10倍,加入冷端微结构散热器之后,综合性能提升可达15倍以上,达到前所未有的高效能比。
在实际应用层面,这种轻量化、高性能的STEG系统具有极高的实用价值。可用于为无线传感器网络供能,解决偏远无电地区设备续航难题;也适合于移动穿戴设备及医疗传感器的能量收集,满足微功率供应需求。同时,系统采用的飞秒激光加工技术,为实现大规模、低成本、环境友好的制造工艺奠定基础。相比传统多层薄膜沉积及光刻工艺,飞秒激光具有单步处理、材料适用多样化及结构复杂性高的技术优势,未来有望广泛推广应用。值得关注的是,该技术突破不仅优化了器件的热能转换效率,也为进一步整合光伏与热电混合系统创造了条件。例如,通过将光谱分离技术与高性能STE结合,可实现太阳能的更全面捕获与转换,极大提升整体光电转化效率。
飞秒激光微纳结构的调控能力还为未来开发针对特定波段的光谱吸收与辐射材料提供了新思路。总的来看,飞秒激光光谱工程结合创新热管理策略,在提升太阳能热电发电性能方面取得了里程碑式进展。其不仅解决了太阳选择性吸收和高效散热的双重挑战,也在保证轻量化和系统紧凑性的同时实现了前所未有的输出功率提升。随着材料科学和激光加工技术的发展,未来STEG有望成为物联网、智能穿戴及偏远地区可持续能源供给的关键技术之一。伴随这一趋势,深入研究热电材料的高温性能、优化微纳结构设计以及结合多能互补系统,将为实现商业化应用和推广普及提供坚实保障。 。
