随着全球能源需求不断攀升,寻找高效、清洁的能源转换技术成为当务之急。太阳能,作为取之不尽用之不竭的可再生资源,长期以来备受重视。传统的太阳能光伏技术虽得到广泛应用,但其对光谱范围的局限性成为瓶颈。太阳能热电发电器(Solar Thermoelectric Generators, STEGs)作为一种新兴技术,利用热电效应直接将太阳热能转化为电能,提供了一种不同于光伏的新途径,但其转换效率和输出功率一直制约着广泛推广。近期,科研团队通过创新的飞秒激光光谱工程和精准的热管理手段,实现了太阳能热电发电性能提升15倍的突破,这一成就有望推动太阳能技术向更高效、更实用的新阶段迈进。太阳能热电发电的基本工作原理依赖于塞贝克效应,即在温度差驱动下,热电材料产生电压。
为了实现高效发电,关键在于维持热电器件两端的显著温差。传统方式中,热端吸收太阳能加热,冷端依赖自然或主动冷却散热,但由于热损失和散热效率低下,导致输出功率有限。为了改进这一点,研究者从两个层面入手优化太阳能热电发电器:一方面通过飞秒激光加工技术对热端吸收材料进行纳米级表面改造,达到高效太阳能吸收并抑制红外辐射损失;另一方面,通过微结构化散热设计提升冷端散热效果。飞秒激光加工作为一种高精度、环保的无掩模板微纳制造技术,能够在金属表面形成独特的纳米与微米级结构,改变材料的光学性质。研究人员选用高熔点的钨(W)作为热端吸收基底,利用飞秒激光加工打造选择性太阳能吸收器(W-SSA)。这种吸收器实现了超过80%的太阳光谱吸收效率,同时极大降低了对红外波段的发射率,大幅减少热辐射损失。
相较于传统的多层膜式选择性吸收器,飞秒激光技术摒弃了复杂的加工工序,提升了材料的稳定性和耐高温性,并且具备大面积批量加工潜力。除了表面光谱调整,团队设计了一种创新的"温室腔体"结构,将热端的空气流动控制在合理范围内,减少对流和传导热损失。通过合理调节空气层厚度,实现传导和对流的双重抑制,使热端温度得以显著提升。实验数据显示,经过该"温室腔体"改造后,热端的温度和温差提升了约40%以上,相应发电效率也获得显著提升。在冷端散热方面,研究团队以铝为基底,通过飞秒激光加工形成超大容量微结构散热器(μ-dissipator)。这种微结构包含深度和宽度均经过精细设计的沟槽和纳米微米级表面形貌,显著增加散热表面积,并提升了对红外范围的辐射散热能力。
同时,增强的对流换热效果使冷端温度显著降低。与传统铝散热片相比,μ-dissipator具有约两倍的散热效果,保证了高温差的形成和持久维持。除了材料和结构上精心设计,研究团队还通过热力学模拟和实验验证,巧妙配合上述热端的光谱吸收改造和冷端微结构散热,从整体系统水平实现了15倍的功率提升。这种协同效应不仅显著扩大了热电发生的温差,还保证了系统轻量化,重量仅增加25%。这一突破使得太阳能热电装置从实验室走向实际应用变得更为可行。高性能的太阳能热电发电器具备极高的多场景应用潜力。
物联网无线传感网络、可穿戴智能设备及医疗传感器等领域对微功率、高可靠、持续能源供应需求强烈。利用此次技术提升,微型STEG系统可作为自供电能源模块,实现传统电池难以满足的长时间无线工作,减少维护成本,提升设备可靠性。未来应用或将涵盖智能农业环境监测、可穿戴健康监控、远程数据采集乃至航空航天等多个关键领域。此外,飞秒激光加工技术的通用性和适应性也为大规模定制化热电器件制造提供了坚实技术支持,减少传统光刻、沉积等多道工序,降低生产难度和成本。配合材料不断改进的热电性能,整体系统的发电效率和稳定性将进一步提升。尽管此次研究侧重于Bi2Te3基热电模块,研究者已提出在高温段采用更适合的热电材料以进一步提升性能的可能。
综合来看,该研究不仅突破了太阳能热电发电的性能瓶颈,更重要的是为未来能源收集、转换载体的创新提供了新思路。飞秒激光光谱工程结合精准热管理,真正做到了系统层面的能源转换效率突破,是可持续能源技术发展史上的一大里程碑。展望未来,随着材料科学、加工技术和系统设计的不断融合,定制化、高效率、低成本的太阳能热电装置有望走入千家万户,成为副能源端的重要组成部分。在全球减碳目标驱动下,此类绿色环保技术的推广,将对能源结构转型、环境保护和经济发展起到积极推动作用。总结而言,太阳能热电发电技术借助飞秒激光表面工程和系统热管理,实现了15倍的输出功率提升,标志着这一领域迎来了革命性的进步。高选择性的太阳吸收器、创新的温室腔体以及高效的微结构散热设计,彼此协同使系统温差最大化,进而极大提升了电能输出。
此技术兼具高效能、轻量级和可规模化制造优势,开辟了太阳能热电在物联网、医疗、穿戴设备及更多领域的广阔应用前景。未来的持续探索有望推动太阳能热电发电技术向更高效、更智能的方向发展,成为能源技术革新的中坚力量。 。
