近年来,太阳能作为一种可再生绿色能源,因其丰富性和环保性而备受关注。太阳能热电发电器(简称STEG)基于塞贝克效应,利用材料两端的温差直接转换热能为电能,是太阳能利用领域的重要研究方向。然而,STEG技术的应用受限于热电材料的效率以及热管理系统的优化,整体发电性能一直难以实现质的飞跃。2025年8月,一项开创性的研究通过飞秒激光光谱工程及高效热管理,实现了STEG性能提升达15倍的突破,标志着太阳能热电发电技术步入全新发展阶段。该研究由美国罗彻斯特大学的科研团队主导,采用直接激光加工手段,结合创新的热流控制方案,打造出一种轻便化、集成度高而且高效的STEG系统。该项目不仅提升了发电功率,同时仅带来了约25%的系统重量增加,为便携式和高功率密度应用奠定了技术基础。
飞秒激光作为超短脉冲激光技术,拥有极高的时间和空间分辨率,能够对金属表面进行纳米与微米尺度的精细结构刻蚀与调控。研究人员选用高熔点、机械性能优异的钨材料,通过调整激光功率、扫描速度和线间距,直接在钨表面形成纳米结构,实现了选择性太阳吸收器(Selective Solar Absorber,SSA)。这种SSA具有太阳光谱区(300-2500纳米)超过80%的高吸收率,同时在红外区域(2.5至20微米)有效抑制热辐射损失。通过这种结构的优化,STM的热辐射损失降低,热能转化效率显著提升,理论上极大地增加了热端温度。与此同时,研究团队设计并制造了基于气膜隔热原理的温室腔体,弱化了钨SSA表面的空气对流热损失。气膜的厚度经过精密模拟与实验优化,最终确定为约5-6毫米,既有效阻止了空气热对流,又限制了热传导,形成热能的高效保存层。
该温室腔体采用一层薄型聚乙烯塑料覆膜结构,确保太阳光能高透过率,同时充分利用空气的低热导率,实现热损失的双重遏制。此外,冷端的热管理同样不容忽视,STEG性能不仅依赖于热端温度提升,更需高效散热系统保持冷端温度低以增大温差。研究利用飞秒激光技术在铝基底上制造超高效微结构散热器(μ-dissipator),该散热器具备丰富且规则的微沟槽及纳米级亚结构,显著提升散热面积和红外辐射效率。更高的表面发射率增强了冷端的辐射冷却能力,同时复杂的微结构促进了空气的自然对流,提升了散热系数。针对散热器的形貌,科研团队对比了网格型和线条型图案,最终选择线条型激光扫描模式并确定沟槽宽度在200至300微米、深度100至150微米的最佳尺度。优化后的散热器在测试中显示出约2倍于普通铝散热器的冷却能力,直接转化为STEG输出功率的提升。
上述热端与冷端技术的结合,实现了STEG系统整体性能的大幅跃升。实验对比了仅有热端管理、仅有冷端管理以及同时具备两端管理的STEG样机,数据显示仅热端光谱工程与热管理带来了约10倍的功率提升,结合冷端优化之后整体提升达15倍。更为重要的是,这一性能飞跃仅以25%的重量增加为代价,保证了系统的轻便性和适用性。该技术的潜在应用极为广泛,特别适合无线传感器网络、可穿戴电子设备及医疗传感器等对体积和重量有严格限制、同时需持续供电的场景。通过大幅提升单元面积和质量的功率密度,STEG有望取代或辅助传统能源提供方案。飞秒激光加工工艺的最大优势是单步、无化学污染、可扩展性高且能加工复杂曲面,使得大规模生产成为可能。
此外,可调控的激光参数为不同材料表面量身定制吸收/辐射特性提供了灵活性。该技术突破了传统多层薄膜沉积、化学蚀刻等工艺的复杂性和成本壁垒,为未来市场应用铺平道路。尽管目前使用的Bi2Te3基热电模块效率在较高温度下有所下降,研究指出通过采用适合高温工作的热电材料,可以进一步提升高光照强度下的功率增益。未来,STEG还可与光伏(PV)电池结合,形成光谱分离的混合能源系统,最大化太阳能的全光谱利用效率。此外,技术的多样化应用前景包括农业环境监测、智慧城市物联网设备、自主操作的遥感装置等。本文介绍的飞秒激光光谱工程与热管理双重技术,标志着太阳能热电发电向高性能、轻量化和应用广度迈出了关键一步。
随着新材料和加工工艺的不断演进,STEG技术有望在未来能源体系中发挥更大作用,助力实现可持续发展的绿色能源目标。 。
