太阳能作为取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源,一直被视为解决能源危机和环境污染的重要途径。在太阳能转化技术中,太阳能光伏电池和太阳能热电发电器(STEG)各有优势。相比于依赖半导体带隙转换效率的光伏电池,太阳能热电发电器能够利用太阳光谱的更宽波段,将热能转化为电能,具有不间断发电和环境适应性强的优势。然而,STEG的实际商业推广一直受限于热电材料的低效率和热管理问题,导致其输出功率低、能量转换效率不足。近年来,研究者们通过创新材料设计和结构优化不断突破传统瓶颈,特别是最新通过飞秒激光光谱工程和热管理技术,实现了STEG性能十五倍的提升,成为行业里程碑式的进展。飞秒激光其超短脉冲和高峰值功率的特点,使其在材料表面可以形成纳米到微米级的精准结构改造,极大地改变金属表面的光学和热学特性。
在STEG的热管理设计中,利用飞秒激光加工技术将普通钨(金属钨,W)转变为一种选择性太阳吸收器(W-SSA),实现对太阳光谱的高吸收率(超过80%),同时保持极低的红外辐射发射率,有效减少热量的辐射损失。这样的吸收器不仅提高了太阳能转化为热能的效率,还保证了高温下的稳定运行。热量的保持极大提高了热电模块两侧的温差(ΔT),从物理原理上为电能输出提升提供了基础。此外,研究团队创新设计了"温室腔室"结构,将W-SSA紧密封装,以形成稳定的静止气层。这种设计巧妙减少了热能通过对流传导的流失,大幅降低了热损失,使得热电组件能够维持更高的工作温度。这种对空气对流的有效抑制,类似于保温杯中隔热层的原理,却兼顾了STEG的轻便需求。
另一方面,冷端的热管理同样关键。STEG输出性能在很大程度上依赖于冷端高效散热维持温差。传统的散热器通常大而笨重,限制了STEG在轻巧便携设备中的应用。通过飞秒激光技术对铝材(Al)表面进行微结构刻蚀,打造出拥有超高散热能力的微结构散热器(μ-dissipator)。该散热器表面拥有层级微米及纳米级结构,既扩大了与空气的接触面积提升对流散热,又增加了红外辐射能力促进热辐射交换。相比传统散热铝材,μ-dissipator的散热性能媲美甚至超过了其两倍,保证了冷端持续低温环境。
微观结构的改变提高了从材料表面的热辐射能力,还促进了空气流动,强化了热交换效率。经过对热管理策略的系统整合,STEG的温差得到最大化提升。热端W-SSA高效吸光且低发射散失,冷端μ-dissipator强力散热双向合力,形成了有利于热电转换的巨大温差梯度。实验数据显示,该综合方案使输出电能比未改进系统提升了十五倍,而整体系统重量仅增加了25%。这对于追求高功率密度的应用场景,尤为重要,使STEG真正具备实际部署中的竞争力。该成果表明,通过物理加工手段处理传统金属表面,无需复杂且高成本的多层薄膜工艺,能够实现高效、稳定且大规模可复制的太阳能选择性吸收器及散热器制造工艺。
相比起依赖昂贵制备设备的光刻和真空镀膜,飞秒激光加工具备环保、快速且灵活适用复杂形状器件表面的显著优势。STEG作为一种绿色能源设备,能够在无需外部电源或电池支持的前提下,通过光谱和热管理升级,直接从太阳辐射获取电力,实现自给自足。其广泛的潜在应用包括作为物联网无线传感器节点的电源,为医疗监测设备和穿戴电子器件提供能量支持,乃至在偏远地区或极端环境下作为微型独立电源系统。将光谱选择性吸收器与先进散热微结构融合,STEG不仅解决了长久以来热能流失难题,也架起了高效太阳能热电转换与轻量化设计的桥梁。未来,结合新型高性能热电材料和智能温控系统,STEG有望实现更进一步效率提升,拓展应用边界。特别是在多能互补领域,将热电组件与光伏电池结合,利用光谱拆分技术进一步挖掘太阳能利用效率,推动绿色能源产业迈向新高度。
综上,飞秒激光光谱工程与热管理的协同优化,为太阳能热电发电技术的发展带来革命性突破,彰显了先进纳米光学与热物理技术融合的巨大潜力。通过该创新策略,未来的STEG设备将实现轻巧高效、低成本生产和广泛应用,为全球能源转型与环境保护贡献切实力量。 。
