與太陽能電池板不同，太陽能熱電發(fā)電機（STEG）可將任何熱源轉(zhuǎn)化為電能。但此前受制于低效難題，該技術(shù)發(fā)展長期受阻。近期據(jù)外媒報道，致力于提升太陽能熱電發(fā)電機性能的科學家們發(fā)現(xiàn)了一種可將效率提高15倍的新方法。

這一突破源自研究人員歷時五年開發(fā)出的一種獨特的激光蝕刻“黑色金屬”材料，目前計劃將其應用于太陽能熱電發(fā)電機。該研究由羅切斯特大學光學教授Chunlei Guo團隊主導，其創(chuàng)新設(shè)計的金屬表面具有特殊的納米結(jié)構(gòu)，能高效吸收太陽能并最大限度減少熱輻射損失。

羅切斯特大學研究員Chunlei Guo正在測試一款經(jīng)飛秒激光脈沖蝕刻的太陽能熱電發(fā)電機。該技術(shù)通過增強太陽能吸收效能，使其實驗室創(chuàng)新的黑色金屬技術(shù)設(shè)計成功打造出效能達前代設(shè)備15倍的STEG裝置，為可再生能源技術(shù)開辟了新道路

效率瓶頸，催生技術(shù)新路徑
太陽能熱電發(fā)電機是一種固態(tài)電子設(shè)備，通過塞貝克效應將熱能轉(zhuǎn)化為電能——當材料間溫差導致帶電粒子位移時，就會產(chǎn)生電磁場即電壓。太陽能熱電發(fā)電機的內(nèi)部是由半導體材料構(gòu)成，夾在“熱端”與“冷端”之間。當熱端被太陽或其他熱源加熱時，電子在半導體材料中的運動會產(chǎn)生電流。

現(xiàn)有太陽能熱電發(fā)電機技術(shù)面臨的核心難題是效率極低——其光能轉(zhuǎn)化率不足1%，這與普遍安裝于住宅的光伏太陽能板形成鮮明對比，后者可實現(xiàn)約20%的光電轉(zhuǎn)換率。

研究團隊在《Light: Science and Applications》期刊上發(fā)表的論文中表示，當他們采用經(jīng)激光處理的金屬（因其深墨色外觀被稱為“黑色金屬”）時，可以將太陽能熱電發(fā)電機的能效提升15倍。這項創(chuàng)新開發(fā)的表面處理技術(shù)通過飛秒激光在金屬表面雕刻出納米級結(jié)構(gòu)，使其具備超強光吸收特性與熱局域化能力，顯著增強了太陽能熱電發(fā)電機的熱端溫差驅(qū)動效能。

Chunlei Guo利用激光產(chǎn)生超快脈沖，在金屬表面蝕刻納米結(jié)構(gòu)，從而制造出高效能太陽能熱電發(fā)電機

激光蝕刻，打造吸熱“黑色金屬”
根據(jù)報道，該技術(shù)是通過使用超快超精密激光脈沖轟擊鎢金屬表面，從而蝕刻出微觀溝槽結(jié)構(gòu)。這些納米級刻痕，使鎢金屬能夠吸收更多熱輻射并延長熱能的保存時間。激光脈沖的另一效應是將任何金屬表面轉(zhuǎn)化為深黑色，顯著提升吸熱能力。研究人員隨后用塑料薄膜覆蓋黑色鎢金屬，形成“微型溫室”以進一步鎖住熱能。

在對太陽能熱電發(fā)電機的冷端處理中，研究團隊采用普通鋁材并再次施以激光脈沖轟擊。金屬表面的微細刻蝕形成了“超高容量微結(jié)構(gòu)散熱器”，研究團隊宣稱其散熱效率達到傳統(tǒng)鋁制散熱器的兩倍。

太陽能熱電發(fā)電機表面激光蝕刻納米結(jié)構(gòu)的特寫鏡頭
 

為驗證系統(tǒng)性能，研究人員在模擬太陽光下成功點亮LED燈。普通太陽能熱電發(fā)電機即使暴露于10倍標準日照強度下仍無法點亮LED，而采用雙面黑色金屬處理后的裝置，僅需5倍標準日照強度就能使LED達到滿亮度發(fā)光——相當于實現(xiàn)15倍的功率輸出提升。

研究人員在聲明中表示，盡管該項技術(shù)短期內(nèi)無法替代太陽能農(nóng)場，但未來有望應用于低功耗無線物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器、可穿戴設(shè)備，或作為農(nóng)村地區(qū)的離網(wǎng)可再生能源系統(tǒng)。

該研究合著者、羅切斯特大學光學與物理學教授、激光能量學實驗室高級科學家Chunlei Guo在聲明中表示：數(shù)十年來，業(yè)界始終致力于改進太陽能熱電發(fā)電機的半導體材料，但整體效率提升有限。本研究另辟蹊徑——我們未對半導體材料進行任何改動，而是聚焦于器件的熱端與冷端優(yōu)化。通過同步提升熱端的太陽能吸收與熱能捕獲效率，并強化冷端的散熱性能，實現(xiàn)了效率的驚人飛躍。