太阳能作为取之不尽的绿色能源,其转换和利用效率一直是科学研究和工程实践中的重要课题。近年来,太阳能光伏发电因其高效率和便捷性备受关注,但太阳能热电发电(Solar Thermoelectric Generators,简称STEG)作为一种基于温差产生电能的技术,因其能够利用更广泛的太阳光谱和结构简单、易维护的特点,也引起了不断增长的关注。然而,STEG的实际应用一直受到热电材料性能有限和热管理效率不足的制约,导致其整体能量转换效率较低,通常低于1%。最近,一项融合激光光谱工程和精细热管理技术的突破,实现了STEG性能的15倍提升,标志着太阳能热电领域的重大飞跃。该技术的核心是利用飞秒激光技术对发电器的热端和冷端材料进行微纳米级别的结构改造,从而优化太阳能吸收和热散发机制,有效提升温差和输出功率。传统的太阳能热电发电系统中,热端太阳能吸收板往往采用多层薄膜涂层来实现选择性吸收,以提高太阳能吸收率同时减少红外辐射损失。
然而,这类多层涂层工艺复杂,成本较高,且存在热膨胀不匹配带来的机械稳定性问题。为此,研究团队大胆采用了一种物理加工方式,即通过飞秒激光直接在钨(W)表面制造纳米结构,形成具有高光谱吸收率的选择性太阳吸收器(W-SSA)。该方法不仅实现了超过80%的太阳能光谱吸收率,同时显著降低了红外辐射发射率,有效减少了热端辐射损失。飞秒激光在钨表面打出的纳米结构通过激发表面等离子体共振,增强了可见及近红外波段的太阳光捕获能力,同时抑制了红外波段发射,保证高温下的优良热稳定性和机械性。针对钨吸收器的对流热损失,团队进一步创新设计了带有空气层的"温室腔体",利用塑料薄膜隔绝热端与大气间的空气流动,减少对流传热,实现40%以上的热流减少,从而进一步提升热端温度,增大温差。另一方面,STEG冷端的散热效率直接影响热端与冷端的温差大小,是提升电能输出的关键因素。
传统冷端散热器主要依赖于散热翅片的自然对流,翅片尺寸大且笨重,不适合高功率密度和便携式应用。针对这一难题,研究团队运用飞秒激光对铝(Al)薄膜表面进行微米级结构加工,制造出高度微结构化的散热器(μ-dissipator)。通过精细设计的微沟槽和纳米级表面纹理,不仅大幅增加了散热表面积,同时显著提升了红外辐射能力,实现散热性能较常规铝散热器高出一倍。微结构散热器特殊的表面形貌有效增强了对冷端热量的辐射和对流排放,降低冷端温度,维持更大温差,这对提升STEG整体性能意义重大。在实验测试中,整合了激光结构化钨选择性吸收器与微结构铝散热器的STEG,配合温室腔体的热端设计,设备功率提升达15倍以上,且整体重量仅增加约25%。这一显著的性能提升不仅证明了激光光谱工程和热管理策略的有效性,也展现了STEG在无线传感器网络、可穿戴电子设备和医疗传感器等低功耗领域的巨大应用潜力。
该研究以使用单步、无化学反应的飞秒激光加工方式,避免了传统多层薄膜制作的复杂工艺,实现了大规模、低成本、环境友好的制造过程。另外,微结构散热器设计避免了机械复杂度,提升了系统的紧凑性和可靠性。尽管目前热电材料的本征转换效率(通过ZT值衡量)提升困难,但该研究通过工程手段极大优化了器件的热流路径和温差,实现了超越材料性能极限的输出能量增长。未来,随着高ZT热电材料的发展,以及更先进的热端吸收和冷端散热技术结合,STEG有望在更大规模和更高功率应用中发挥重要作用。除了独立应用,太阳能热电发电器还可以与光伏技术联合,实现分光协同利用太阳能的多样性优势,进一步提升整体光热转换系统效率。激光光谱工程技术不仅限于钨和铝材料,通过调节激光参数,可以在多种金属和半导体材料表面创建定制化光吸收和散热结构,使其广泛适用于各种复杂器件结构。
该方法的灵活性和可扩展性为未来太阳能光热利用和能量回收系统设计提供了广阔想象空间。综上所述,15倍STEG性能提升的突破,是激光微纳加工、光谱选择性和热管理多学科交叉协同作用的典范。它不仅解决了传统太阳能热电系统中光谱吸收和热损失的问题,更通过创新的材料微结构设计,实现高效的能量转换和可靠的热管理,推动太阳能热电发电技术迈向实用化和商业化阶段。随着全球能源结构的转型和绿色低碳发展的需求增加,这一技术的推广和应用前景非常广阔,将为构建可持续能源未来贡献重要力量。 。
