太阳能作为全球最丰富的可再生能源,正逐步成为推动能源结构转型的关键动力。在众多太阳能转换技术中,太阳能热电发电器(Solar Thermoelectric Generators,STEGs)凭借其基于塞贝克效应的直接热电转换优势,展现出独特的应用潜力。然而,传统STEGs普遍存在热电材料效率偏低以及热管理系统笨重的问题,限制了其大规模推广和应用。最近,一项基于飞秒激光技术结合光谱工程与热管理的创新方法,实现了STEG性能提升15倍的突破,成为引领热电发电技术发展的重要里程碑。理解这一革新,需要从光谱选择性吸收、热管理设计及微结构优化等方面深入剖析。首先,光谱工程主要针对STEG热端的太阳能吸收材料。
理想的太阳选择性吸收器(Selective Solar Absorber,SSA)应具备在300至2500纳米的太阳光谱范围内高效吸收能力,同时在红外范围内保持极低的发射率以减少热辐射损失。传统多层膜吸收器制造工艺复杂且成本高昂,同时存在热膨胀不匹配导致材料稳定性差的问题。飞秒激光加工技术通过超短脉冲激光制造纳米级表面结构,在钨(W)金属表面实现了强烈的表面等离子体共振,显著增强了可见光及近红外的吸收,同时保持了远红外区域的极低发射率。钨的高熔点和机械强度赋予其在高温环境下的优异稳定性,使得这类激光制造的W-SSA具备良好的耐久性和转换效率。其次,针对STEG热端的对流和传导热损失,研究者设计了一种基于塑料薄膜的温室腔体结构,通过在SSA表面形成薄层空气膜,极大抑制了对流热交换和传导热损失,从而提高热端温度,增强温差驱动。优化的空气层厚度在4至6毫米之间,既抑制了空气循环,又保持了有效的绝热效果,实验证实可实现超过40%的热损失减少。
相比传统真空或气凝胶绝热方案,该方法成本低廉、安装简便,且不会阻碍太阳光的入射。热端技术改进显著提升了STEG的热输入,但冷端的有效散热同样关键。利用飞秒激光在铝(Al)薄片表面构建微纳米级凸凹结构,打造出高容量微结构散热器(μ-dissipator),通过增大表面面积提升对流冷却能力,同时利用纳米结构增强红外波段发射,实现辐射冷却的双重促进。这种微结构散热器展现出相较于传统铝散热器约2倍的冷却性能,使冷端温度有效降低,进一步扩大两端温差。飞秒激光加工不仅是一种物理、无化学污染的绿色制造方法,而且具备单步加工、适用于复杂几何形状、多种材料的优点,极大地提升了制造灵活性和规模化潜力。将热端W-SSA、温室腔体和冷端μ-dissipator优化集成后,STEG整体质量仅增加25%,却实现了约15倍的输出功率提升。
实验证明,在1至5倍太阳光浓缩条件下,该STEG系统能够稳定输出大幅度高于传统系统的电能,甚至实现点亮LED灯的演示,彰显其在无线传感器网络、可穿戴设备和医疗传感器等低功耗电子应用的巨大潜力。此项技术的成功不仅突破了传统热电材料ZT值不易提升的瓶颈,更通过光谱选择与精细热管理提高了热利用效率,极大推动STE技术朝实用化迈进。未来,结合高温热电材料的发展及多模态能源采集系统(如光伏-热电混合系统)有望进一步提升系统效能,满足更大功率需求。与此同时,飞秒激光表面工程技术的多样性为各种热管理和光学性能定制开辟了新的可能,推动智能化绿色能源转换装置的开发。随着物联网和智能设备市场对持续、环保微能量来源的渴求,高性能、轻量、集成化的STEG解决方案显得尤为重要。该技术通过创新的微观制造和热管理手段,实现了系统性能与便携性的优异平衡,展现了可持续能源技术发展的广阔前景。
总之,飞秒激光驱动的光谱及热管理技术为STEG带来了前所未有的性能飞跃,推动太阳能热电发电从实验室向实际应用迅速过渡。通过持续的材料优化与系统集成创新,未来STEG有望成为绿色能源领域中的重要一员,助力全球能源清洁转型和碳中和目标的实现。 。
