零碳科技：新型“黑金屬”設(shè)備，提升太陽(yáng)能熱電發(fā)電效率15倍

研究人員一直在探索太陽(yáng)能熱電發(fā)電機(jī) （STEG） 作為太陽(yáng)能發(fā)電的潛在方式。與大多數(shù)太陽(yáng)能電池板中的光伏電池不同，STEG 可以捕獲各種形式的熱能以及陽(yáng)光直射。這些器件由由半導(dǎo)體材料隔開(kāi)的熱側(cè)和冷側(cè)組成，它們之間的溫差通過(guò)塞貝克效應(yīng)發(fā)電，具備體積小，無(wú)噪聲可靠性高這些優(yōu)點(diǎn)。

注：塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）又稱(chēng)作第一熱電效應(yīng)，是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。一般規(guī)定熱電勢(shì)方向?yàn)椋涸跓岫穗娮佑韶?fù)流向正。

在兩種金屬A和B組成的回路中，如果使兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度不同，則在回路中將出現(xiàn)電流，稱(chēng)為熱電流。相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電勢(shì)，其方向取決于溫度梯度的方向。

塞貝克效應(yīng)的成因可以簡(jiǎn)單解釋為在溫度梯度下導(dǎo)體內(nèi)的載流子從熱端向冷端運(yùn)動(dòng)，并在冷端堆積，從而在材料內(nèi)部形成電勢(shì)差，同時(shí)在該電勢(shì)差作用下產(chǎn)生一個(gè)反向電荷流，當(dāng)熱運(yùn)動(dòng)的電荷流與內(nèi)部電場(chǎng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，半導(dǎo)體兩端形成穩(wěn)定的溫差電動(dòng)勢(shì)。半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)較大，可用作溫差發(fā)電器。

然而，STEG 的廣泛使用因其效率低而受到限制。目前，大多數(shù)型號(hào)只能將不到 1% 的入射陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)住宅太陽(yáng)能電池板達(dá)到的大約 20% 的轉(zhuǎn)化率。

羅切斯特大學(xué)的創(chuàng)新方法

“15-Fold increase in solar thermoelectric generator performance through femtosecond-laser spectral engineering and thermal management”，2025 年 8 月 12 日，《 Light: Science & Applications》。

DOI：10.1038/s41377-025-01916-9

羅切斯特大學(xué)光學(xué)研究所的研究人員開(kāi)發(fā)的新技術(shù)大大縮小了效率差距。在發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》上的一項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)描述了他們獨(dú)特的光譜工程和熱管理方法，以創(chuàng)建一種 STEG 設(shè)備，其產(chǎn)生的功率是以前設(shè)備的 15 倍。

太陽(yáng)能熱電發(fā)電機(jī)表面激光蝕刻納米結(jié)構(gòu)的特寫(xiě)。

圖片來(lái)源：羅切斯特大學(xué) / J. Adam Fenster

幾十年來(lái)，研究界一直專(zhuān)注于改進(jìn) STEG 中使用的半導(dǎo)體材料，并在整體效率方面取得了適度的提高。然而，在這項(xiàng)研究中，半導(dǎo)體材料被忽略了，研究人員專(zhuān)注于器件的熱面和冷面。羅切斯特大學(xué)光學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將熱側(cè)更好的太陽(yáng)能吸收和吸熱與冷側(cè)更好的散熱相結(jié)合，在效率上取得了驚人的提升。

提高效率的三種策略

該團(tuán)隊(duì)使用三種主要策略設(shè)計(jì)了新型高效 STEG。對(duì)于設(shè)備的熱側(cè)，他們應(yīng)用了Guo實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)黑金屬技術(shù)，該技術(shù)對(duì)普通鎢進(jìn)行了修改，以選擇性地吸收太陽(yáng)波長(zhǎng)的光。通過(guò)使用強(qiáng)飛秒激光脈沖將納米級(jí)結(jié)構(gòu)蝕刻到金屬表面，他們提高了從陽(yáng)光中捕獲能量的能力，同時(shí)限制了其他波長(zhǎng)的熱量損失。

羅切斯特研究員GuoChunlei測(cè)試了一種蝕刻有飛秒激光脈沖的太陽(yáng)能熱電發(fā)電機(jī) （STEG），以提高太陽(yáng)能吸收和效率。他的實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新的黑金屬技術(shù)設(shè)計(jì)有助于創(chuàng)建效率比以前設(shè)備高 15 倍的 STEG 設(shè)備，為新的可再生能源技術(shù)鋪平道路。

圖片來(lái)源：羅切斯特大學(xué) / J. Adam Fenster

其次，研究人員用一塊塑料覆蓋黑色金屬，制作了一個(gè)迷你溫室，就像在農(nóng)場(chǎng)里一樣，可以最大限度地減少對(duì)流和傳導(dǎo)以捕獲更多熱量，從而提高熱側(cè)的溫度。

最后，在 STEG 的冷側(cè)，他們?cè)俅问褂蔑w秒激光脈沖，但這次是在普通鋁上，以創(chuàng)建具有微小結(jié)構(gòu)的散熱器，從而改善輻射和對(duì)流的散熱。該工藝使典型鋁制散熱器的冷卻性能提高了一倍。

使用激光產(chǎn)生超快激光脈沖，將納米結(jié)構(gòu)蝕刻到金屬表面，從而創(chuàng)建高效的 STEG。

圖片來(lái)源：羅切斯特大學(xué) / J. Adam Fenster

a 通過(guò)熱側(cè)和冷側(cè)熱管理提高STEG輸出功率的示意圖。熱側(cè)熱管理系統(tǒng)由一個(gè)W-SSA和一個(gè)溫室室組成，以減少熱損失。冷側(cè)熱管理系統(tǒng)由一個(gè)μ散散器組成，增強(qiáng)了冷側(cè)散熱。

b （I）無(wú)熱管理，（II）熱側(cè)熱管理，（III）冷側(cè)熱管理，（IV）雙側(cè)熱管理的四種STEG案例。

小結(jié)

羅切斯特大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)革命性的“黑金屬”表面工程與雙側(cè)熱管理策略，將太陽(yáng)能熱電發(fā)電機(jī)（STEG）的效率提升了驚人的15倍，為這項(xiàng)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用掃清了核心障礙。這項(xiàng)突破的意義遠(yuǎn)不止于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，它預(yù)示著STEG技術(shù)廣闊而多元的應(yīng)用前景：

物聯(lián)網(wǎng)與微型傳感器網(wǎng)絡(luò)： 其小體積、高可靠性和無(wú)噪音特性，使其成為為廣泛分布的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器和低功耗電子設(shè)備提供長(zhǎng)期、免維護(hù)能源的完美解決方案，尤其適用于偏遠(yuǎn)或難以布線區(qū)域。

可穿戴與便攜式電子設(shè)備： 高效捕獲環(huán)境熱能和光能的能力，使其有望集成到可穿戴設(shè)備中，利用人體熱量或環(huán)境光為健康監(jiān)測(cè)器、智能手表等持續(xù)供電，極大延長(zhǎng)設(shè)備續(xù)航。

離網(wǎng)與分布式能源： 在缺乏電網(wǎng)覆蓋的農(nóng)村、邊遠(yuǎn)地區(qū)或野外作業(yè)場(chǎng)景，該技術(shù)可構(gòu)建小型、可靠的離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，為基本照明、通信設(shè)備或小型電器提供清潔能源。

特種與補(bǔ)充供電： 其穩(wěn)定、靜音的特性使其適用于需要可靠輔助電源的特殊場(chǎng)景，如環(huán)境監(jiān)測(cè)站、軍事野外設(shè)備、航空航天輔助系統(tǒng)等。

這項(xiàng)突破性技術(shù)將STEG從實(shí)驗(yàn)室推向了實(shí)用化的快車(chē)道，其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（小體積、無(wú)噪音、利用多種熱源）與大幅提升的效率相結(jié)合，使其在構(gòu)建未來(lái)分布式、智能化、可持續(xù)的能源生態(tài)系統(tǒng)中扮演極具潛力的角色。