随着全球能源结构向可再生能源转型,太阳能作为清洁能源的重要代表备受推崇。太阳能热电发电器(STEGs)作为一种将太阳能转化为电能的创新装置,凭借其宽光谱的吸收特性和基于塞贝克效应的直接能量转换机制,引发了学术界与工业界的深入关注。然而,多年来其效率迟迟未突破1%的瓶颈,制约了商业推广和规模化应用。近期,一项结合飞秒激光光谱工程和先进热管理技术的新策略,实现了STEG性能提升15倍,在保持设备轻巧紧凑的同时显著增强热电转换效率,标志着太阳能热电发电领域的重大突破。该项技术的核心在于对STEG热端和冷端的协同优化,通过激光微纳结构调控材料的光谱吸收与热辐射特性,最大化温差提升,从而推动装置功率输出的爆发式增长。 STEG的输出功率与材料的塞贝克系数、电阻以及最关键的温差(ΔT)密切相关。
温差越大,发电能力就越强。传统挑战在于如何在阳光照射下有效提高热端温度,同时保持冷端低温,从而扩大ΔT。为此,研究团队利用飞秒激光技术,将普通钨(W)金属表面转化为选择性太阳吸收表面(W-SSA)。该技术通过在纳米尺度上刻蚀形成复杂的表面结构,显著提升太阳光谱范围(300到2500纳米)的吸收率,超过80%,同时极大降低红外(IR)辐射发射率,最大限度地减少热损失。这种紧密结合的吸光与低热辐射特性,使W-SSA在高温环境下依然保持超高的吸热效率,远超传统多层薄膜选择性吸收体,且具备优异的机械稳定性和热耐受性。钨材质本身的高熔点和强度也确保了长期应用的可靠性。
与此同时,热管理不可忽视。热端的对流损失通常会削弱温差效应。团队通过设计一种创新型温室腔体,将W-SSA包裹于薄塑料薄膜与支撑结构之间,封闭空气形成优良的隔热层。该结构既防止空气流动,有效抑制自然对流和传导导致的热散失,又确保太阳光线高效穿透到达吸收表面。通过数值模拟和实验,研究确定空气隔层厚度优化为约5到6毫米,实现热阻与透光性的最佳平衡。实验中,该温室腔体能减少逾40%的热端对流损失,使热端温度进一步升高,温差得以明显加大,推动STEG发电性能大幅提升。
冷端散热同样关键。高效冷却有助于维持较低温度,进一步扩大ΔT。传统铝金属散热器虽然重量轻且导热性好,但表面辐射效能低限制了热辐射散热效果。针对这一矛盾,研究通过飞秒激光在铝表面制造了有序的微结构和纳米结构,形成超高散热能力的微型结构散热器(μ-dissipator)。该散热器不仅极大增加了表面积,还有助于激发表面等离子体共振,显著提升红外波段辐射率。通过优化微沟槽的宽度与深度,研究在确保空气对流流动的基础上最大化了辐射与对流的综合散热能力。
实验结果表明,其冷端散热能力较普通铝散热器提升近两倍,在40至100摄氏度工作温度区间内,STEG输出功率提升约2.3倍。 更重要的是,团队通过将热端W-SSA、温室保护腔体与冷端μ-dissipator进行优雅集成,在整体仅增加25%重量的前提下,联合应用热光谱工程与热管理策略,实现STEG峰值功率高达15倍的飞跃。这一协同增效与单独优化任何一侧热端或冷端相比,效果明显高出数倍,有效克服长期以来材料本身热电性能限制带来的桎梏。电学测试显示,该集成装置在多倍太阳光浓缩(1至5倍太阳强度)情况下,性能持续稳定,甚至在较高温度时获得显著效率提升,展示良好的实用潜力和可扩展性。 该技术的核心优势还体现在制造工艺的高效与环保性。飞秒激光光谱工程作为一种纯物理、无化学溶剂的减材制造技术,单步实现表面微纳结构构建,避免了传统高真空沉积、多层光刻及化学蚀刻复杂繁琐的流程,极大提升了生产效率与成本效益,适合批量制造。
同时,该技术适用于多种材料及复杂几何结构,拓展了STEG设计的多样性和灵活性。 STEG性能显著提升,激发了众多潜在应用。区别于依赖电池或电网的传统供电方式,基于太阳能的STEG具备高度自主、绿色节能的特点,极适合无线传感网络、可穿戴电子器件及医疗传感器等领域。尤其在物联网(IoT)设备大量普及背景下,STEG为分布式、移动及偏远地区的传感节点提供可持续能源,助力信息时代的实时监测与智能响应。此外,结合光谱分离技术,将STEG与光伏装置协同集成,有望进一步突破太阳能转换效率上限,推动智能能源系统的全面升级。 未来发展方向包括引入更高性能的热电材料(如Skutterudites、半Heusler合金等),优化热界面材料,提高热交换效率,以及探索多物理场耦合优化设计。
此外,耐久性测试及环境适应性研究也必不可少,以保障STEG在复杂自然环境下的稳定运行。自动化及智能化的飞秒激光加工设备有望支持更大规模生产,降低制造成本,加速技术推向市场。 综上所述,飞秒激光光谱工程与热管理策略的创新融合,为太阳能热电发电技术注入了新的活力,突破了多年制约性能提升的瓶颈,实现了功率的15倍飞跃。其兼具高效、轻量化、环保及制造工艺先进的优势,代表了未来太阳能热电领域的发展潮流。伴随技术不断完善与产业链逐渐成熟,STEG有望成为驱动微电子终端乃至更广泛绿色能源转型的重要力量,助力建设更加智能、可持续的能源未来。 。
