近年来,随着全球对可再生能源的需求日益增长,太阳能作为最具潜力的清洁能源之一,受到了广泛关注和研究。太阳能转化技术不断创新,其中太阳能热电发电器(STEGs)凭借其独特的利用太阳热能产生电能的优势,逐渐成为科研热点。然而,传统STEG的性能受限于热电材料的低效率和散热系统的不足,导致其转换效率常常无法满足实际应用需求。近日,一项利用飞秒激光技术实现光谱工程和热管理的创新方法成功将太阳能热电发电器的性能提升了15倍,成为太阳能利用领域的一次重大突破。 太阳能热电发电技术基于塞贝克效应,当热电材料两端存在温差时,会产生电压输出。因此,提高STEG的电能输出,关键在于最大化材料两端的温差。
通过提高热端温度和降低冷端温度,可以显著扩大这一温差,从而提升发电效率。然而,传统太阳热电系统在材料选择和热管理设计上均存在瓶颈,制约了其实际应用的发展。 针对热端,研究团队以纯钨(W)材料为基础,应用飞秒激光加工技术对其表面进行了微纳米结构改造,成功打造出选择性太阳光吸收体(W-SSA)。这种表面结构能够显著增强对太阳光谱范围(300至2500纳米)的吸收能力,同时在红外波段(2.5至20微米)保持极低的发射率,从而最大限度地减少热辐射损失。钨材料本身熔点高、机械性能优异,结合激光加工后的表面纳米结构,使得W-SSA在工作温度高达200摄氏度时仍能够保持超过80%的光吸收效率,相较传统陶瓷吸收体吸收率提升近三倍,极大地提高了热能积累能力。 为了进一步减少热端的对流和传导热损失,研究团队设计了一种新型的"温室室"结构,该结构通过捕捉薄层空气形成绝热层,有效阻隔了热对流。
数值模拟与实验结果指出,约5毫米厚的空气层能够最大化抑制热端的空气循环与热传导,减少超40%的热量散失。该装置使用轻质透明的聚乙烯薄膜作为覆盖,兼具优异的透光性和热隔离性能,同时纳入了隔热支架设计,保持薄膜远离高温表面,延长使用寿命。实测数据表明,加入温室结构后,STEG热端温度显著提升,温差增加约45%,极大地促进了热电发电性能的提升。 除了热端的创新设计,冷端的热管理同样关键。散热能力的提升有助于降低冷端温度,进一步扩大两端的温差。传统用于散热的铝制散热器体积大、重量重,不利于高功率密度应用,如可穿戴设备和无线传感器网络。
为此,团队采用飞秒激光技术对铝表面进行了微结构化处理,制造出超级高效的微结构散热器(μ-dissipator)。该微结构结合微米深度的沟槽以及纳米级表面粗糙度,显著增加散热表面积,同时提升了散热表面的红外发射率,实现辐射和对流散热的双重增强。 实验比较了不同微结构的激光扫描布局与尺寸,发现线性沟槽结构以200至300微米宽度和100至150微米深度能获得最佳散热表现。这种设计优化了空气流通通道,避免了陡峭交叉处空气滞留问题,同时大幅提升了IR辐射功率。最终的μ-dissipator有效散热能力较传统铝散热体提升了约两倍,有效支持STEG在40至100摄氏度温度范围内稳定工作,输出功率提升超2.3倍。 最令人瞩目的是,当将优化的W-SSA热端与μ-dissipator冷端组合装配,并配合温室室热管理系统综合应用时,STEG的输出功率得到协同放大,整体性能提升约15倍,而系统重量仅增加约25%。
这样的性能大幅提升,不仅使得小型STEG设备具备供电微电子设备的潜力,同时大幅强化了其在物联网传感节点、可穿戴电子以及医用传感器等领域的应用前景。 此次研究突破采用的飞秒激光光谱工程与热管理技术具有显著优势。与传统多层涂层或光刻制造工艺相比,飞秒激光处理是一种单步、环境友好且适应复杂几何结构的物理减材工艺。该方法避免了高真空和多步骤成膜工艺,具备大规模工业生产的可行性和成本优势。此外,飞秒激光不仅能灵活调控材料光学性能,还能同步优化表面形貌,实现光谱与热学性能的最优匹配。 与此同时,热管理设计的创新体现在对热端与冷端的统筹考量。
热端的高效选择性太阳吸收体与气膜温室结构极大降低了辐射和对流热损失,保障热能的最大积累。而冷端的微结构散热器则利用边界层流体动力学和辐射物理原理,提升了热能的快速释放,保持温差的持续稳定。 随着热电材料研究进入瓶颈期,材料的无显著性能提升,系统性热管理方案的创新成为推动STEG技术发展的重要路径。此项利用飞秒激光加工技术的研究不仅为STEG的高效设计提供了全新思路,也为实现便携化、自供电的清洁能源设备奠定了坚实基础。 未来,结合高性能热电材料的开发以及与太阳能光伏技术的混合利用,STEG有望成为多样化能源解决方案中的关键组成部分。此外,飞秒激光表面工程技术的扩展应用,还可助力高温稳定性要求更高的光热转换系统、热辐射控制以及其他相关领域技术的突破。
总结而言,通过飞秒激光技术打造的高选择性W基太阳吸收体、创新温室热管理结构和微结构铝散热器的联合应用,成功实现了太阳能热电发电器性能的跨越式提升。该成果突破了传统STEG性能瓶颈,显著提升了发电效率与功率密度,为实现未来高效、轻便、稳定的太阳能热电转换装置提供了新范式。这将助推绿色能源利用技术迈向新的高度,推动物联网、可穿戴设备及远程传感系统的能源自主化,促进现代社会向可持续低碳发展转型。 。
