與太陽(yáng)能電池板不同，太陽(yáng)能熱電發(fā)電機(jī)（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(zhǎng)期受阻。近期據(jù)外媒報(bào)道，致力于提升太陽(yáng)能熱電發(fā)電機(jī)性能的科學(xué)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(shí)五年開(kāi)發(fā)出的一種獨(dú)特的激光蝕刻“黑色金屬”材料，目前計(jì)劃將其應(yīng)用于太陽(yáng)能熱電發(fā)電機(jī)。該研究由羅切斯特大學(xué)光學(xué)教授Chunlei Guo團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，其創(chuàng)新設(shè)計(jì)的金屬表面具有特殊的納米結(jié)構(gòu)，能高效吸收太陽(yáng)能并最大限度減少熱輻射損失。

羅切斯特大學(xué)研究員Chunlei Guo正在測(cè)試一款經(jīng)飛秒激光脈沖蝕刻的太陽(yáng)能熱電發(fā)電機(jī)。該技術(shù)通過(guò)增強(qiáng)太陽(yáng)能吸收效能，使其實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新的黑色金屬技術(shù)設(shè)計(jì)成功打造出效能達(dá)前代設(shè)備15倍的STEG裝置，為可再生能源技術(shù)開(kāi)辟了新道路

效率瓶頸，催生技術(shù)新路徑
太陽(yáng)能熱電發(fā)電機(jī)是一種固態(tài)電子設(shè)備，通過(guò)塞貝克效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)化為電能——當(dāng)材料間溫差導(dǎo)致帶電粒子位移時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)即電壓。太陽(yáng)能熱電發(fā)電機(jī)的內(nèi)部是由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，夾在“熱端”與“冷端”之間。當(dāng)熱端被太陽(yáng)或其他熱源加熱時(shí)，電子在半導(dǎo)體材料中的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電流。

現(xiàn)有太陽(yáng)能熱電發(fā)電機(jī)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(yáng)能板形成鮮明對(duì)比，后者可實(shí)現(xiàn)約20%的光電轉(zhuǎn)換率。

研究團(tuán)隊(duì)在《Light: Science and Applications》期刊上發(fā)表的論文中表示，當(dāng)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(shí)，可以將太陽(yáng)能熱電發(fā)電機(jī)的能效提升15倍。這項(xiàng)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的表面處理技術(shù)通過(guò)飛秒激光在金屬表面雕刻出納米級(jí)結(jié)構(gòu)，使其具備超強(qiáng)光吸收特性與熱局域化能力，顯著增強(qiáng)了太陽(yáng)能熱電發(fā)電機(jī)的熱端溫差驅(qū)動(dòng)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(yáng)能熱電發(fā)電機(jī)

激光蝕刻，打造吸熱“黑色金屬”
根據(jù)報(bào)道，該技術(shù)是通過(guò)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(jí)刻痕，使鎢金屬能夠吸收更多熱輻射并延長(zhǎng)熱能的保存時(shí)間。激光脈沖的另一效應(yīng)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(jìn)一步鎖住熱能。

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

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

為驗(yàn)證系統(tǒng)性能，研究人員在模擬太陽(yáng)光下成功點(diǎn)亮LED燈。普通太陽(yáng)能熱電發(fā)電機(jī)即使暴露于10倍標(biāo)準(zhǔn)日照強(qiáng)度下仍無(wú)法點(diǎn)亮LED，而采用雙面黑色金屬處理后的裝置，僅需5倍標(biāo)準(zhǔn)日照強(qiáng)度就能使LED達(dá)到滿亮度發(fā)光——相當(dāng)于實(shí)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(xiàng)技術(shù)短期內(nèi)無(wú)法替代太陽(yáng)能農(nóng)場(chǎng)，但未來(lái)有望應(yīng)用于低功耗無(wú)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(xué)光學(xué)與物理學(xué)教授、激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)科學(xué)家Chunlei Guo在聲明中表示：數(shù)十年來(lái)，業(yè)界始終致力于改進(jìn)太陽(yáng)能熱電發(fā)電機(jī)的半導(dǎo)體材料，但整體效率提升有限。本研究另辟蹊徑——我們未對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行任何改動(dòng)，而是聚焦于器件的熱端與冷端優(yōu)化。通過(guò)同步提升熱端的太陽(yáng)能吸收與熱能捕獲效率，并強(qiáng)化冷端的散熱性能，實(shí)現(xiàn)了效率的驚人飛躍。