研究人員一直在探索太陽能熱電發(fā)電機 （STEG） 作為太陽能發(fā)電的潛在方式。與大多數(shù)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(cè)和冷側(cè)組成，它們之間的溫差通過塞貝克效應(yīng)發(fā)電，具備體積小，無噪聲可靠性高這些優(yōu)點。

注：塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）又稱作第一熱電效應(yīng)，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(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。一般規(guī)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(xiàn)電流，稱為熱電流。相應(yīng)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(yīng)的成因可以簡單解釋為在溫度梯度下導體內(nèi)的載流子從熱端向冷端運動，并在冷端堆積，從而在材料內(nèi)部形成電勢差，同時在該電勢差作用下產(chǎn)生一個反向電荷流，當熱運動的電荷流與內(nèi)部電場達到動態(tài)平衡時，半導體兩端形成穩(wěn)定的溫差電動勢。半導體的溫差電動勢較大，可用作溫差發(fā)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(shù)型號只能將不到 1% 的入射陽光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化率。

羅切斯特大學的創(chuàng)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(fā)的新技術(shù)大大縮小了效率差距。在發(fā)表在《光：科學與應(yīng)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(chuàng)建一種 STEG 設(shè)備，其產(chǎn)生的功率是以前設(shè)備的 15 倍。

太陽能熱電發(fā)電機表面激光蝕刻納米結(jié)構(gòu)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(cè)更好的太陽能吸收和吸熱與冷側(cè)更好的散熱相結(jié)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(shè)計了新型高效 STEG。對于設(shè)備的熱側(cè)，他們應(yīng)用了Guo實驗室開發(fā)的專門黑金屬技術(shù)，該技術(shù)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(jié)構(gòu)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(fā)電機 （STEG），以提高太陽能吸收和效率。他的實驗室創(chuàng)新的黑金屬技術(shù)設(shè)計有助于創(chuàng)建效率比以前設(shè)備高 15 倍的 STEG 設(shè)備，為新的可再生能源技術(shù)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(nóng)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(cè)的溫度。

最后，在 STEG 的冷側(cè)，他們再次使用飛秒激光脈沖，但這次是在普通鋁上，以創(chuàng)建具有微小結(jié)構(gòu)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(chǎn)生超快激光脈沖，將納米結(jié)構(gòu)蝕刻到金屬表面，從而創(chuàng)建高效的 STEG。

圖片來源：羅切斯特大學 / J. Adam Fenster

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

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

小結(jié)

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

物聯(lián)網(wǎng)與微型傳感器網(wǎng)絡(luò)： 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(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器和低功耗電子設(shè)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(qū)域。

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

離網(wǎng)與分布式能源： 在缺乏電網(wǎng)覆蓋的農(nóng)村、邊遠地區(qū)或野外作業(yè)場景，該技術(shù)可構(gòu)建小型、可靠的離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，為基本照明、通信設(shè)備或小型電器提供清潔能源。

特種與補充供電： 其穩(wěn)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(huán)境監(jiān)測站、軍事野外設(shè)備、航空航天輔助系統(tǒng)等。

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