零碳科技：新型“黑金屬”設備，提升太陽能熱電發電效率15倍

研究人員一直在探索太陽能熱電發電機 （STEG） 作為太陽能發電的潛在方式。與大多數太陽能電池板中的光伏電池不同，STEG 可以捕獲各種形式的熱能以及陽光直射。這些器件由由半導體材料隔開的熱側和冷側組成，它們之間的溫差通過塞貝克效應發電，具備體積小，無噪聲可靠性高這些優點。

注：塞貝克效應（Seebeck effect）又稱作第一熱電效應，是指由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現象。一般規定熱電勢方向為：在熱端電子由負流向正。

在兩種金屬A和B組成的回路中，如果使兩個接觸點的溫度不同，則在回路中將出現電流，稱為熱電流。相應的電動勢稱為熱電勢，其方向取決于溫度梯度的方向。

塞貝克效應的成因可以簡單解釋為在溫度梯度下導體內的載流子從熱端向冷端運動，并在冷端堆積，從而在材料內部形成電勢差，同時在該電勢差作用下產生一個反向電荷流，當熱運動的電荷流與內部電場達到動態平衡時，半導體兩端形成穩定的溫差電動勢。半導體的溫差電動勢較大，可用作溫差發電器。

然而，STEG 的廣泛使用因其效率低而受到限制。目前，大多數型號只能將不到 1% 的入射陽光轉化為電能，遠低于標準住宅太陽能電池板達到的大約 20% 的轉化率。

羅切斯特大學的創新方法

“15-Fold increase in solar thermoelectric generator performance through femtosecond-laser spectral engineering and thermal management”，2025 年 8 月 12 日，《 Light: Science & Applications》。

DOI：10.1038/s41377-025-01916-9

羅切斯特大學光學研究所的研究人員開發的新技術大大縮小了效率差距。在發表在《光：科學與應用》上的一項研究中，該團隊描述了他們獨特的光譜工程和熱管理方法，以創建一種 STEG 設備，其產生的功率是以前設備的 15 倍。

太陽能熱電發電機表面激光蝕刻納米結構的特寫。

圖片來源：羅切斯特大學 / J. Adam Fenster

幾十年來，研究界一直專注于改進 STEG 中使用的半導體材料，并在整體效率方面取得了適度的提高。然而，在這項研究中，半導體材料被忽略了，研究人員專注于器件的熱面和冷面。羅切斯特大學光學研究團隊通過將熱側更好的太陽能吸收和吸熱與冷側更好的散熱相結合，在效率上取得了驚人的提升。

提高效率的三種策略

該團隊使用三種主要策略設計了新型高效 STEG。對于設備的熱側，他們應用了Guo實驗室開發的專門黑金屬技術，該技術對普通鎢進行了修改，以選擇性地吸收太陽波長的光。通過使用強飛秒激光脈沖將納米級結構蝕刻到金屬表面，他們提高了從陽光中捕獲能量的能力，同時限制了其他波長的熱量損失。

羅切斯特研究員GuoChunlei測試了一種蝕刻有飛秒激光脈沖的太陽能熱電發電機 （STEG），以提高太陽能吸收和效率。他的實驗室創新的黑金屬技術設計有助于創建效率比以前設備高 15 倍的 STEG 設備，為新的可再生能源技術鋪平道路。

圖片來源：羅切斯特大學 / J. Adam Fenster

其次，研究人員用一塊塑料覆蓋黑色金屬，制作了一個迷你溫室，就像在農場里一樣，可以最大限度地減少對流和傳導以捕獲更多熱量，從而提高熱側的溫度。

最后，在 STEG 的冷側，他們再次使用飛秒激光脈沖，但這次是在普通鋁上，以創建具有微小結構的散熱器，從而改善輻射和對流的散熱。該工藝使典型鋁制散熱器的冷卻性能提高了一倍。

使用激光產生超快激光脈沖，將納米結構蝕刻到金屬表面，從而創建高效的 STEG。

圖片來源：羅切斯特大學 / J. Adam Fenster

a 通過熱側和冷側熱管理提高STEG輸出功率的示意圖。熱側熱管理系統由一個W-SSA和一個溫室室組成，以減少熱損失。冷側熱管理系統由一個μ散散器組成，增強了冷側散熱。

b （I）無熱管理，（II）熱側熱管理，（III）冷側熱管理，（IV）雙側熱管理的四種STEG案例。

小結

羅切斯特大學團隊通過革命性的“黑金屬”表面工程與雙側熱管理策略，將太陽能熱電發電機（STEG）的效率提升了驚人的15倍，為這項技術的大規模應用掃清了核心障礙。這項突破的意義遠不止于實驗室數據，它預示著STEG技術廣闊而多元的應用前景：

物聯網與微型傳感器網絡： 其小體積、高可靠性和無噪音特性，使其成為為廣泛分布的物聯網（IoT）傳感器和低功耗電子設備提供長期、免維護能源的完美解決方案，尤其適用于偏遠或難以布線區域。

可穿戴與便攜式電子設備： 高效捕獲環境熱能和光能的能力，使其有望集成到可穿戴設備中，利用人體熱量或環境光為健康監測器、智能手表等持續供電，極大延長設備續航。

離網與分布式能源： 在缺乏電網覆蓋的農村、邊遠地區或野外作業場景，該技術可構建小型、可靠的離網發電系統，為基本照明、通信設備或小型電器提供清潔能源。

特種與補充供電： 其穩定、靜音的特性使其適用于需要可靠輔助電源的特殊場景，如環境監測站、軍事野外設備、航空航天輔助系統等。

這項突破性技術將STEG從實驗室推向了實用化的快車道，其獨特的優勢（小體積、無噪音、利用多種熱源）與大幅提升的效率相結合，使其在構建未來分布式、智能化、可持續的能源生態系統中扮演極具潛力的角色。