太阳能作为最具潜力的可再生能源之一,近年来在光伏和热电发电领域均取得了长足的技术进步。特别是太阳能热电发生器(STEGs),其基于塞贝克效应,通过热电材料在两个不同温度端之间产生电压来实现能量转化。尽管相比传统太阳能光伏技术,热电发电拥有利用更广光谱太阳辐射的天然优势,STEGs的商业化应用仍面临效率偏低的瓶颈,转换效率通常低于1%。近期,来自罗切斯特大学的研究者利用飞秒激光加工技术结合创新的热管理策略,实现太阳能热电发电性能提升15倍,成为领域内一项划时代的进展。 STEG性能提升的核心在于扩大热电材料两端的温差(ΔT),而温差的加大受限于热能吸收效率与热量的有效管理。为此,研究团队从热端吸热器和冷端散热器两个关键组件入手,以飞秒激光精确调控表面微纳结构,提升其光学和热学性能。
热端采用钨(W)作为基体材料,通过飞秒激光加工转变为选择性太阳能吸收器(W-SSA),实现太阳光谱范围内超过80%的高效吸收,同时显著降低红外波段的热辐射发射,最大限度地减少热量损失。钨高熔点和机械强度优异保证了该选择性吸收器在高温环境下具备良好稳定性。 另一方面,为减少热端的对流散热损失,研究团队设计了一种密闭式"温室腔室",该腔室利用空气作为绝热介质,通过优化薄空气层厚度实现对流热损失降低超过40%,极大地提升了热端维持高温的能力。值得注意的是,该腔室结构简单,采用食品级聚乙烯薄膜制造,不仅具备优良的红外透过性能,还能承受较高的热端温度,使整体系统保持轻便和紧凑。 对于冷端散热,团队采用飞秒激光在铝(Al)表面微细加工形成超高效微结构散热器(μ-dissipator),微细沟槽与纳米级结构结合,极大地增加了散热表面积,并通过增强表面红外辐射实现冷侧热交换效率的倍增。实验数据显示,经过微结构改性的铝散热器在不同温度条件下均表现出显著优于普通铝散热片的对流与辐射换热能力,从而提升热端与冷端之间的温差,推动更高的热电发电效率。
飞秒激光技术的引入为此次突破提供了关键支持。相比传统的多步薄膜沉积和光刻技术,飞秒激光加工是一种物理去除工艺,具有操作简便、环保无化学废料、对复杂三维形状兼容性强等优势。能够在多种金属和半导体材料表面实现纳米到微米级别的精细结构调控,优化表面光谱响应和热传导性能,是实现高性能STEG设计的利器。 在系统层面,将钨基选择性吸收器、温室腔体和微结构铝散热器相结合的STEG装置展示了显著的协同增效效果。实验结果表明,与普通无热管理的设备相比,经热端光谱工程和冷端微结构散热器双重优化后,STEG整体输出功率增强超过15倍,且设备重量仅增加约25%,实现高性能与轻量化兼具。该系统在1至5倍太阳光照强度下均表现出卓越的功率提升,特别适合便携式低功率电子设备的能源供应需求。
这一研究成果的实际应用前景十分广阔。随着物联网(IoT)技术的发展,无需电池维护、自供电的无线传感网络需求激增。高效便携的STEG能为环境监测、农业智能化、医疗可穿戴设备等提供稳定电源,助推智能化设备的普及和能效提升。此外,STEG技术还能与太阳能光伏电池组合使用,利用光谱分离技术进一步提升整体太阳能利用率,实现混合能源系统的创新。 未来,随着热电材料的不断优化和更高温区适用材料的引入,STEG的转换效率有望进一步提升,尤其是在高温工作环境下发挥更大优势。同时,飞秒激光光谱工程技术也将在多功能能源器件制造中扮演重要角色。
持续的工艺改进和系统集成研究将推动STEG技术迈向商业化,成为可持续能源领域的重要组成部分。 总体而言,该项整合飞秒激光表面光谱工程与创新热管理技术的太阳能热电发电方案,不仅大幅提升了传统STEG器件面临的热损失和散热难题,而且保持了系统轻巧和制造工艺的简便,彰显了未来太阳能热电转换技术的发展方向。随着新能源需求不断扩大,这一技术的推广应用将为清洁能源利用和绿色智能设备供电开辟更加广阔的空间,助力实现碳中和和可持续发展目标。 。
