零碳科技：新型“黑金属”设备，提升太阳能热电发电效率15倍

研究人员一直在探索太阳能热电发电机 （STEG） 作为太阳能发电的潜在方式。与大多数太阳能电池板中的光伏电池不同，STEG 可以捕获各种形式的热能以及阳光直射。这些器件由由半导体材料隔开的热侧和冷侧组成，它们之间的温差通过塞贝克效应发电，具备体积小，无噪声可靠性高这些优点。

注：塞贝克效应（Seebeck effect）又称作第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。一般规定热电势方向为：在热端电子由负流向正。

在两种金属A和B组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。相应的电动势称为热电势，其方向取决于温度梯度的方向。

塞贝克效应的成因可以简单解释为在温度梯度下导体内的载流子从热端向冷端运动，并在冷端堆积，从而在材料内部形成电势差，同时在该电势差作用下产生一个反向电荷流，当热运动的电荷流与内部电场达到动态平衡时，半导体两端形成稳定的温差电动势。半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器。

然而，STEG 的广泛使用因其效率低而受到限制。目前，大多数型号只能将不到 1% 的入射阳光转化为电能，远低于标准住宅太阳能电池板达到的大约 20% 的转化率。

罗切斯特大学的创新方法

“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

罗切斯特大学光学研究所的研究人员开发的新技术大大缩小了效率差距。在发表在《光：科学与应用》上的一项研究中，该团队描述了他们独特的光谱工程和热管理方法，以创建一种 STEG 设备，其产生的功率是以前设备的 15 倍。

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

几十年来，研究界一直专注于改进 STEG 中使用的半导体材料，并在整体效率方面取得了适度的提高。然而，在这项研究中，半导体材料被忽略了，研究人员专注于器件的热面和冷面。罗切斯特大学光学研究团队通过将热侧更好的太阳能吸收和吸热与冷侧更好的散热相结合，在效率上取得了惊人的提升。

提高效率的三种策略

该团队使用三种主要策略设计了新型高效 STEG。对于设备的热侧，他们应用了Guo实验室开发的专门黑金属技术，该技术对普通钨进行了修改，以选择性地吸收太阳波长的光。通过使用强飞秒激光脉冲将纳米级结构蚀刻到金属表面，他们提高了从阳光中捕获能量的能力，同时限制了其他波长的热量损失。

罗切斯特研究员GuoChunlei测试了一种蚀刻有飞秒激光脉冲的太阳能热电发电机 （STEG），以提高太阳能吸收和效率。他的实验室创新的黑金属技术设计有助于创建效率比以前设备高 15 倍的 STEG 设备，为新的可再生能源技术铺平道路。

图片来源：罗切斯特大学 / J. Adam Fenster

其次，研究人员用一块塑料覆盖黑色金属，制作了一个迷你温室，就像在农场里一样，可以最大限度地减少对流和传导以捕获更多热量，从而提高热侧的温度。

最后，在 STEG 的冷侧，他们再次使用飞秒激光脉冲，但这次是在普通铝上，以创建具有微小结构的散热器，从而改善辐射和对流的散热。该工艺使典型铝制散热器的冷却性能提高了一倍。

使用激光产生超快激光脉冲，将纳米结构蚀刻到金属表面，从而创建高效的 STEG。

图片来源：罗切斯特大学 / J. Adam Fenster

a 通过热侧和冷侧热管理提高STEG输出功率的示意图。热侧热管理系统由一个W-SSA和一个温室室组成，以减少热损失。冷侧热管理系统由一个μ散散器组成，增强了冷侧散热。

b （I）无热管理，（II）热侧热管理，（III）冷侧热管理，（IV）双侧热管理的四种STEG案例。

小结

罗切斯特大学团队通过革命性的“黑金属”表面工程与双侧热管理策略，将太阳能热电发电机（STEG）的效率提升了惊人的15倍，为这项技术的大规模应用扫清了核心障碍。这项突破的意义远不止于实验室数据，它预示着STEG技术广阔而多元的应用前景：

物联网与微型传感器网络： 其小体积、高可靠性和无噪音特性，使其成为为广泛分布的物联网（IoT）传感器和低功耗电子设备提供长期、免维护能源的完美解决方案，尤其适用于偏远或难以布线区域。

可穿戴与便携式电子设备： 高效捕获环境热能和光能的能力，使其有望集成到可穿戴设备中，利用人体热量或环境光为健康监测器、智能手表等持续供电，极大延长设备续航。

离网与分布式能源： 在缺乏电网覆盖的农村、边远地区或野外作业场景，该技术可构建小型、可靠的离网发电系统，为基本照明、通信设备或小型电器提供清洁能源。

特种与补充供电： 其稳定、静音的特性使其适用于需要可靠辅助电源的特殊场景，如环境监测站、军事野外设备、航空航天辅助系统等。

这项突破性技术将STEG从实验室推向了实用化的快车道，其独特的优势（小体积、无噪音、利用多种热源）与大幅提升的效率相结合，使其在构建未来分布式、智能化、可持续的能源生态系统中扮演极具潜力的角色。