太阳能作为全球最丰富的可再生能源之一,在推动绿色环保与能源结构转型中扮演着举足轻重的角色。光伏技术因其高效转化为大众所熟知,而太阳能热电发电器(Solar Thermoelectric Generators,简称STEGs)作为另一种潜力巨大的太阳能利用技术,因其能够直接将太阳热能转化为电能而备受关注。然而长期以来由于热电材料性能受限以及热管理不佳,STEGs的效率始终难以大幅提升,严重制约了其商业化应用和推广。最近,科研团队通过采用飞秒激光(femtosecond laser)在光谱工程与热管理上的创新,成功实现了STEG性能的15倍提升,这一进展无疑为光热电领域书写了新篇章。热电发电的基本原理基于塞贝克效应,即温差驱动下热电材料内部电子定向移动产生电压。STEG系统则是通过在热电组件的热侧与冷侧分别设置太阳选择性吸收器与高效散热器,形成温差进而输出电能。
提高STEG输出的关键,在于提升热侧温度、降低热损失,同时加强冷侧散热能力,从而扩大两端的温差。科学家们以钨(Tungsten)和铝(Aluminum)两种金属为基材,利用飞秒激光技术精确雕刻其表面纳米与微米结构,通过调控材料表面的光谱吸收与发射特性,实现了高效的光谱工程。特别是在热侧,普通的钨表面经过飞秒激光处理被转化为选择性太阳吸收器(Selective Solar Absorber,简称W-SSA)。W-SSA具有极高的太阳光谱吸收率,超过80%,且对红外波段的发射率被有效压低,从而大幅降低热辐射损失。与传统多层薄膜选择性吸收器相比,fs激光制造的W-SSA具备单步加工、结构紧凑且耐高温的优势。这种纳米结构引发的表面等离子共振现象,使其在整个太阳光谱范围内实现优异吸收,同时在热环境中保持稳定的低辐射特性。
除此之外,研究团队巧妙设计了温室腔室结构,为W-SSA提供隔热的空气层,减少了因对流导致的热量散失。通过数值模拟与实验验证,约5-6毫米的空气层厚度是实现最佳隔热效果的关键,既降低了热对流,又避免了空气层过厚带来的导热损失。该温室腔室简单易行,使用常见的塑料薄膜及绝热材料构建,确保了系统轻质化的同时有效提高了热侧温度。冷侧同样通过创新的飞秒激光微结构加工实现转变。普通铝散热器被赋予了微型结构,形成超高容量的微散热器(μ-dissipator),其表面由微米级槽纹和纳米级粗糙度共同构成,使得散热表面积大幅提升,同时强化了红外电磁波的辐射效应。与传统散热片相比,μ-dissipator集对流与辐射散热于一体,散热能力几乎翻倍。
该设计能更高效地将热能释放到环境中,极大地降低了热侧和冷侧之间的温度。整合热侧的W-SSA和冷侧的μ-dissipator,同时加上温室腔室的辅助热管理,STEG系统输出功率实现了超过15倍的提升,且系统重量仅增加约25%。这一优势以轻便紧凑的配置为特征,使其非常适合高功率密度的应用场景,如分布式无线传感器网络、可穿戴智能设备以及便携式医疗传感器等。此技术突破不仅代表着材料科学与激光加工技术的结合创新,也拓展了STEG商业应用的可能性。例如,物联网无线传感器节点需要持续、稳定且低功耗的供能解决方案,STEG通过无电池自供电能力无疑为其提供了绿色环保的解决路径。另外,集成式设计还便于与光伏电池等其他太阳能转换装置结合,打造混合型系统,提高整体光能利用率。
同时,飞秒激光加工技术无须复杂的光刻或高真空设备,具备环境友好、工艺灵活和高生产效率特点,利于规模化制造与产业应用。未来展望中,伴随着新型高性能热电材料的发展和智能结构设计的提升,STEG装置的转换效率还有望进一步突破。通过多尺度的光谱调控与热管理技术叠加,甚至能实现全天候的稳定发电。结合智能控制系统,可以实时优化热流和电路匹配,使STEG更好地适应不同环境条件。在能源紧缺和碳中和目标推动下,这类创新技术将在可持续能源体系中发挥越来越重要的作用,为解决偏远区域独立供电和环境监测等问题提供有效方案。总之,飞秒激光光谱及热管理技术为太阳能热电发电带来的性能巨幅提升,不仅突破了长期以来材料性能瓶颈的限制,更为高效、轻便的太阳能转换系统指明了未来方向。
随着制造工艺优化和商业模式探索,这一技术有望引领新一代绿色能源变革,为人类实现高效清洁能源利用注入强大动力。 。
