在全球能源格局逐渐向可持续发展转型的背景下,太阳能作为主要的可再生能源之一,发挥着举足轻重的作用。太阳能光伏技术因其高转换效率和成熟度被广泛应用,但太阳能热电发电器(Solar Thermoelectric Generator,简称STEG)凭借其宽光谱吸收和无移动部件的优势,逐渐获得科学家和工程师的青睐。然而,尽管具备诸多潜力,STEG的广泛应用却受限于热电材料本身效率不高及热管理系统的不完善,导致输出功率不足,难以满足实际需求。近期,来自美国罗切斯特大学的研究团队通过采用飞秒激光(femtosecond laser)技术对太阳能热电发电器的关键组成部分进行光谱工程与热管理优化,成功实现了STEG功率提升15倍的突破,且仅增加了25%的系统重量,这一成果为STEG的商业化发展打开了新局面。光谱工程是提升STEG效率的核心。该技术通过对发电器热侧吸收面材料的微纳结构精细调控,实现太阳光的高效吸收和红外辐射损失的最小化。
传统的太阳选择性吸收器(Selective Solar Absorber,SSA)往往采用多层薄膜或光子晶体结构制造,但这些方法易受机械强度和高温稳定性的影响,且工艺复杂、成本高昂。团队创新地利用飞秒激光快速扫描加工,实现了单步、环保且灵活的表面纳米结构制造。以熔点高达3422摄氏度、机械性能优异的钨金属为基础,通过调节飞秒激光功率、扫描速度及刻线间距,制备出具有出色光谱选择性的钨基SSA。该吸收面在太阳光谱范围内吸收效率超过80%,同时在红外波段的发射率极低,有效减少热辐射损失。为进一步减少日常工作环境下热传导和对流带来的能量损失,研究团队设计并实现了类似温室效应的封闭腔室结构。该结构通过在热侧吸收器上方安置一层薄而恰当厚度的塑料膜,封存一层静止空气,实现约40%以上的对流热损失降低。
这种设计既保障了太阳辐射的最大透过,又有效抑制了热空气的循环移动,极大提升了发电器热侧温度,从而拉大了热电模块两端的温差。另一关键改进集中在冷侧散热器的创新上。冷侧温度的降低对于扩大热侧与冷侧的温差极为重要,直接影响热电转换效率。传统冷侧散热多依赖于笨重的金属翅片,虽有效但不利于高功率密度和轻量化应用。研究团队利用飞秒激光技术,在铝金属表面制造出微观雕刻且覆盖纳米级粗糙结构的冷侧微散热器(μ-dissipator)。该结构显著增加了散热表面面积,同时增强了红外辐射能力,兼顾对流和辐射两种散热方式,散热能力较常规铝散热器提高了近两倍。
在实际测试中,集成该微散热器的STEG在40至100摄氏度操作温度范围内表现出超过2倍的输出功率提升。将上述两项技术结合后,热侧的高效选择性吸收面与温室式隔热腔体协同作用,显著提升热侧温度并抑制热损失;冷侧的高效微散热器则迅速带走热量,实现冷侧温度有效降低。整体系统的温差大幅拉开,热电模块输出功率提升约15倍,且仅带来了25%的设备重量增加。这种高效且轻量级的设计不仅保证了系统的便携性,也拓展了STEG在无人机、物联网传感器、可穿戴电子及医疗设备等领域的潜在应用场景。更重要的是,飞秒激光制造技术的单步且可扩展性优势,为大规模生产PAST实现高性能STEG产品提供了技术保障。不同于传统光刻和薄膜沉积工艺,飞秒激光工艺无须复杂化学处理,避免了多步工序及高成本投入,同时能够针对不规则几何形状的金属部件进行灵活加工,极大提升了制造效率和环境友好性。
该项研究同时提醒我们,未来STEG性能的提升还需关注热电材料自身的转换效率。目前市场和实验室中主流Bi2Te3基热电模块在温度提升时效率有所下降。研究团队建议结合高温稳定性更强的新型热电材料,可有效利用高温下的热能,提高整体转换效率,进一步放大这一光谱及热管理策略带来的性能优势。随着智能设备和物联网快速发展,对长时间、独立且可持续的电力供给需求日益增长。STEG因其无需维护、运行安静且环境影响低的特点,具备成为绿色电力的重要补充形式。此次基于飞秒激光技术的革命性光谱及热管理创新,将显著推动STEG的技术成熟和市场接受度。
未来,在与太阳能光伏板集成的混合发电系统中,STEG可有效利用太阳光谱中光伏无法转化的部分,实现更全面的太阳能利用率。综上所述,飞秒激光光谱工程与创新热管理策略为太阳能热电发电器带来了质的飞跃,解决了传统技术难以克服的效率瓶颈。持续优化材料性能与系统结构,推动轻量化与模块化设计,结合智能控制与多能融合,STEG将以更高的性能和更广阔的应用前景,成为未来绿色能源体系中的重要角色。 。
