新型太阳能热电发电机效率大幅提升

科技日报记者 刘霞

据美国《每日科学》网站25日报道，美国罗切斯特大学科学家借助黑色金属技术，研制出一款新型太阳能热电发电机（STEG），其转换效率较早期版本提高了15倍。该设备可用于为物联网无线传感器、可穿戴设备供电，或作为农村地区的离网可再生能源系统。相关研究成果已发表于最新一期《光：科学与应用》杂志。

STEG被科学界视为极具潜力的太阳能发电方式，不仅能利用阳光，还可吸收多种热能，将其转化为电力。其基本结构包括热侧、冷侧及中间的半导体材料，两侧之间的温差通过塞贝克效应产生电力。

然而，现有STEG存在显著的效率瓶颈，制约了其作为实用能源的广泛应用。目前大多数STEG的光能转化率不足1%，而住宅太阳能电池板系统的转化率可达20%左右。在最新研究中，研究团队通过独特的光谱工程与热管理方法，研制出新型STEG设备。

新型高效STEG集成了三大创新策略：热侧采用自研的黑色金属技术，使普通钨金属能选择性吸收太阳光波长；飞秒激光脉冲在金属表面蚀刻纳米级结构，既增强了设备对太阳光能量的吸收，又减少了热辐射损失，在冷侧利用飞秒激光处理普通铝材，制造具有微结构的散热器，通过辐射与对流大幅提升散热效率，使铝散热器的冷却性能提高一倍；在热侧以塑料片覆盖黑色金属形成“迷你温室”，有效减少对流和导热，提升了热侧的温度。

研究团队表示，过去几十年，学界主要致力于改进STEG中的半导体材料，虽在整体效率上有所提升，但进展有限。而这次新研究通过增强热侧的吸热与保温能力，优化冷侧的散热性能，实现了效率的显著突破。此外，简单的演示证明，该STEG可为有机发光二极管供电，且效率远高于现有方法。

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STEG的基本结构是热侧、冷侧及中间的半导体材料。当冷热两侧存在温差时，热能通过塞贝克效应直接产生电能。此前，科研界一直专注于提升STEG所用半导体材料的性能。这次，罗切斯特大学的研究人员不再执着于半导体材料，而是将目光瞄准了STEG的两侧，使用实验室此前已经开发的黑金属技术，让热端更热；通过激光飞秒技术改造铝材，让冷端更冷。思路一变天地开，这一举措将STEG发电效率大幅提升15倍，为STEG的大规模应用扫清了障碍。