科学家利用黑色金属技术将太阳能发电量提高 15 倍

游戏天地 2025年08月25日 22:35 1 admin

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250824031542.htm

传统太阳能技术正面临一场来自热电转换领域的挑战。罗切斯特大学研究团队最新开发的太阳能热电发电机在不改变任何半导体材料的情况下，通过革命性的热管理设计将发电效率提升了15倍，达到了与传统光伏系统相竞争的水平。这一发表于《光：科学与应用》的突破性成果，标志着太阳能利用技术从单纯依赖光子转换转向综合热能管理的重大转变。

该技术的核心创新在于摒弃了传统的材料改进路径，转而采用精密的光谱工程和热流控制策略。通过在热侧集成黑色金属光谱选择吸收技术、微型温室效应增强装置，以及在冷侧配置激光微结构散热系统，研究团队成功将太阳能热电发电机的能量转换效率从不足1%提升至接近15%，为这一长期被认为缺乏商业可行性的技术开辟了全新的应用前景。

技术路径的根本性转变

新型高效STEG采用三种设计策略：在热侧采用黑色金属技术；用塑料片覆盖黑色金属制成微型温室；以及在冷侧采用激光蚀刻的散热器。图片来源：罗切斯特大学/J. Adam Fenster

太阳能热电发电技术基于塞贝克效应，通过维持器件冷热两端的温差来产生电流。长期以来，科学界普遍认为提升这类器件性能的关键在于开发具有更高热电转换系数的半导体材料。然而，经过数十年的材料科学研究，传统热电材料的性能提升已接近物理极限，严重制约了整个技术领域的发展。

罗切斯特大学激光能量学实验室的郭春雷教授团队选择了一条截然不同的技术路径。他们将研究重点从半导体材料本身转移到器件的热管理系统，通过系统性优化热能的吸收、保持和散发过程，实现了设备整体性能的跨越式提升。

"几十年来，研究界一直致力于改进热电发电机中使用的半导体材料，并在整体效率方面取得了一些进展，"郭春雷教授解释道。"在这项研究中，我们甚至没有触及半导体材料——而是专注于设备的热侧和冷侧。通过将热侧更好的太阳能吸收和热捕获性能与冷侧更好的散热性能相结合，我们实现了惊人的效率提升。"

这种方法的创新性不仅体现在技术路径的选择上，更重要的是它展现了系统工程思维在解决复杂技术问题中的重要作用。与其专注于单一组件的性能优化，研究团队将整个系统作为一个有机整体进行设计，通过各个子系统的协同优化实现了整体性能的最大化。

三重技术集成的精妙设计

新型太阳能热电发电机的卓越性能源于三项关键技术的巧妙集成。在热端，研究团队采用了他们此前开发的黑色金属技术，利用飞秒激光在普通钨材料表面蚀刻出纳米级微结构。这些精密的表面结构能够选择性地强化对太阳光谱的吸收，同时抑制长波红外辐射的热损失，从而显著提高热端温度。

传统的太阳能吸收材料往往面临选择性吸收与宽光谱覆盖之间的矛盾。而通过激光微加工技术制备的黑色金属表面，其纳米结构能够在保持高太阳光吸收率的同时，有效抑制热辐射损失，实现了光谱选择性能的最优化。

在热保持方面，研究团队设计了一个创新的微型温室结构。通过在黑色金属吸收器上覆盖透明塑料薄膜，形成了一个密闭的空间，有效阻断了对流和传导引起的热损失。郭教授形象地比喻道："这就像农场里的温室一样，可以最大限度地减少对流和传导，从而捕获更多热量，提高热侧的温度。"

在冷端，研究团队同样运用了激光微加工技术，但目标完全不同。他们在普通铝材料表面创建了专门优化的微结构，这些结构能够同时增强辐射散热和对流散热效果。实验结果显示，经过激光处理的铝制散热器的冷却性能比传统散热器提高了一倍，为维持器件两端的大温差提供了关键支撑。

商业化前景与应用领域

15倍的效率提升使太阳能热电发电技术首次具备了与传统光伏系统竞争的可能性。虽然目前15%的转换效率仍略低于商用硅太阳能电池板的20%水平，但太阳能热电发电机具有一些独特优势，使其在特定应用场景中具有不可替代的价值。

在物联网传感器供电领域，太阳能热电发电机展现出巨大潜力。与光伏系统相比，热电系统能够利用各种热源发电，包括设备自身的废热、环境温差甚至人体热量。这种多源发电能力使其特别适合于需要长期无维护运行的远程传感器网络。

在可穿戴设备领域，热电技术的优势更加明显。人体持续产生的热量为热电发电提供了稳定的能源，而传统的光伏技术在这一应用中面临光照条件限制的挑战。随着可穿戴医疗监测设备和智能服装的快速发展，基于人体热能的发电技术有望成为这一领域的重要技术支撑。

农村地区的离网供电系统代表了另一个重要的应用方向。在偏远地区，传统的电网建设成本高昂且维护困难，而太阳能热电发电系统的高可靠性和低维护需求使其成为理想的分布式能源解决方案。特别是在具有丰富太阳能资源但缺乏电网覆盖的地区，这种技术可能带来能源供应方式的根本性改变。

研究团队已经通过LED供电实验验证了技术的实用性，展示了该系统在实际应用中的稳定性和可靠性。随着制造成本的进一步降低和系统集成度的提高，基于这一技术的商用产品有望在未来几年内进入市场。

从更广阔的视角来看，这一技术突破可能催生整个太阳能利用领域的技术革新。传统的光伏技术主要关注可见光和近红外光的直接转换，而热电技术能够充分利用太阳辐射的热效应，实现对太阳能更加全面和高效的利用。

随着全球对可再生能源需求的持续增长和技术成本的不断下降，太阳能热电发电技术有望在特定细分市场中获得快速发展，并最终成为可再生能源技术组合中的重要组成部分。这一技术的成功也为其他能源转换领域提供了重要启示：通过系统性的工程设计和多技术集成，即使是传统技术也能够实现突破性的性能提升。

该研究得到了美国国家科学基金会、FuzeHub和Goergen数据科学与人工智能研究所的支持，体现了基础研究、产业化推进和跨学科合作在推动技术创新中的重要作用。

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