太阳能新概念：新型“黑金属”设备发电量增加15倍

景点排名 2025年08月17日 22:40 0 aa

美国罗切斯特大学研究团队利用飞秒激光技术成功开发出一种革命性的太阳能热电发电器，其能量转换效率比现有最先进设备提高了15倍。这项突破性技术通过在金属表面精确雕刻纳米结构，创造出能够选择性吸收太阳光谱的"黑金属"材料，为解决传统太阳能热电发电器效率低下的根本问题提供了全新思路。

太阳能热电发电器长期以来被视为极具潜力的可再生能源技术，因为它们不仅能够利用直射阳光，还能捕获各种形式的热能进行发电。然而，效率瓶颈一直阻碍着这种技术的广泛应用。目前大多数太阳能热电发电器只能将不到1%的入射阳光转化为电能，远远落后于标准家用太阳能电池板约20%的转换效率。罗切斯特大学的这项创新研究为打破这一技术壁垒带来了希望。

突破传统材料改进思路

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

多年来，研究人员主要致力于改进太阳能热电发电器中使用的半导体材料，虽然在整体效率方面取得了一些进步，但改善幅度有限。罗切斯特大学光学研究所的研究团队采用了完全不同的策略，他们将重点转向设备的热端和冷端设计，而非传统的半导体材料优化路径。

项目负责人、激光能量学实验室光学与物理学教授郭春雷解释了这一创新思路："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。"

太阳能热电发电器的工作原理基于塞贝克效应，即当设备的热端和冷端之间存在温度差时，会产生电压。因此，最大化这种温差是提高发电效率的关键。研究团队通过三种协同策略实现了这一目标，每种策略都充分利用了飞秒激光技术的独特能力。

太阳能热电发电机表面激光蚀刻纳米结构的特写。图片来源：罗切斯特大学/J. Adam Fenster

飞秒激光雕刻的纳米世界

该技术的核心在于利用强飞秒激光脉冲在金属表面精确蚀刻纳米级结构。在设备的热端，研究人员对普通钨进行了特殊处理，使其转变为能够选择性吸收太阳光谱的"黑金属"。这种经过激光改性的金属表面具有复杂的纳米结构，能够高效捕获太阳光能量，同时显著减少其他波长的热量损失。

这种光谱选择性吸收是该技术的关键创新之一。传统的太阳能吸收材料往往在吸收太阳光的同时也会辐射大量热量，导致整体效率下降。而经过飞秒激光处理的"黑金属"能够在太阳光谱范围内表现出极高的吸收率，同时在红外波段保持较低的发射率，从而实现更高的能量利用效率。

为了进一步提高热端温度，研究团队采用了"微型温室"设计理念。他们在黑金属表面覆盖一层塑料薄膜，创造了类似农业温室的效应。郭春雷教授说："这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。"这种简单而有效的设计显著增强了热量的收集和保存能力。

冷端散热技术的创新突破

在设备的冷端，研究团队同样运用了飞秒激光技术，但目标截然不同。他们在普通铝材上蚀刻微型结构，创造出具有增强散热能力的高效散热器。这种激光处理工艺使普通铝材散热器的冷却性能提高了一倍，通过辐射和对流两种方式实现了更好的散热效果。

罗切斯特大学研究员郭春雷正在测试一种利用飞秒激光脉冲蚀刻的太阳能热电发电机 (STEG)，以提高太阳能的吸收率和效率。他实验室的创新黑金属技术设计有助于打造出一种比以往设备效率高 15 倍的 STEG 设备，为新型可再生能源技术铺平道路。图片来源：罗切斯特大学 / J. Adam Fenster

这种散热器设计的巧妙之处在于其表面微结构能够增加有效散热面积，同时优化空气流动模式，从而显著提高热交换效率。与热端的光谱选择性吸收相对应，冷端的高效散热确保了设备两端之间能够维持更大的温度差，这是提高热电转换效率的关键因素。

三种策略的协同效应产生了令人瞩目的结果。实验数据显示，这种新型太阳能热电发电器的功率输出比现有设备高出15倍，这一突破性进展为太阳能热电技术的实用化应用打开了新的可能性。

广阔的应用前景

研究团队已经通过实验证明了这种技术的实用价值。他们成功利用新型太阳能热电发电器为LED灯提供电力，展示了其在实际应用中的可行性。郭春雷教授指出，这项技术的应用前景非常广阔，包括为物联网无线传感器供电、为可穿戴设备提供能源，以及在农村地区建立离网可再生能源系统。

郭春雷利用激光产生超快激光脉冲，将纳米结构蚀刻到金属表面，从而制造出高效的STEG。图片来源：罗切斯特大学/J. Adam Fenster

特别值得注意的是，这种技术在偏远地区和恶劣环境中具有独特优势。与传统的光伏太阳能电池不同，太阳能热电发电器可以利用各种形式的热源，包括散射光、反射热和环境热能。这使得它们在阴天、黄昏或其他光照条件不理想的情况下仍能保持一定的发电能力。

随着技术的进一步完善和成本的降低，这种高效的太阳能热电发电器有望在分布式能源系统、便携式电子设备和特殊应用场景中发挥重要作用，为实现更加多样化和可靠的可再生能源供应体系贡献力量。

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