黑色金属助推器：罗切斯特大学郭春雷教授测试了一种通过飞秒激光脉冲刻蚀的太阳能热电发电器（STEG），以提升太阳能吸收和效率。他实验室的创新黑色金属技术设计使STEG的效率是以往设备的15倍，为新型可再生能源技术铺平了道路。（罗切斯特大学照片 / J. Adam Fenster）

研究人员研发出一种太阳能热电发生器

其效率是当前最先进设备的15倍

在能源自主化的探索过程中，太阳能热电发电机（Solar Thermoelectric Generators，STEGs）因其在太阳能发电领域的潜在优势而受到研究人员的广泛关注。与当前绝大多数太阳能电池板所采用的光伏技术不同，STEGs不仅能够直接利用太阳辐射，还可高效捕获各种形式的热能。其基本结构由冷热两侧和夹在中间的半导体材料构成，当冷热两侧存在温差时，热能通过一种被称为塞贝克效应（Seebeck effect）的物理现象直接产生电能。

然而，现阶段的STEGs在能量转换效率方面依然面临严重问题，这成为阻碍STEGs作为实用能源生产方式大规模应用的关键因素。目前，大多数 STEGs 对太阳能到电能的转化率不足 1%，这一数值远低于住宅用光伏太阳能电池板系统约 20%的转化率。

罗切斯特大学光学研究所的研究团队开发的新技术显著缩小了该效率差距。该团队系统阐述了其独特的光谱与热管理方法，构建出一种输出功率是以往设备15倍的STEG设备。该成果以15-Fold increase in solar thermoelectric generator performance through femtosecond-laser spectral engineering and thermal management为题发表在Light: Science & Applications。

罗切斯特大学激光能量实验室光学与物理学教授、资深科学家郭春雷教授表示：“数十年来，科研界一直专注于提升STEGs 所用半导体材料的性能，并在整体效率方面取得了有限的进展，在这项研究中，我们甚至没有触及半导体材料，而是将重点放在了器件的冷热两端。通过在热端优化太阳能吸收与热能捕获，同时在冷端提升散热效率，从而实现了显著提升效率。”

新型高效STEGs采用了三种策略进行设计。首先，在STEG的热端，研究人员利用郭春雷实验室开发的黑金属技术（详见https://www.rochester.edu/newscenter/lasers-etch-a-perfect-solar-energy-absorber-414902/），将普通钨转化为可以选择性吸收太阳波段的光。通过飞秒激光脉冲在金属表面刻蚀纳米级结构，增强了材料对太阳能的吸收，同时减少了其他波长的散热。

精准脉冲：郭春雷使用激光产生超快激光脉冲，在金属表面刻蚀纳米结构，从而制备高效STEGs。（罗切斯特大学照片 / J. Adam Fenster）

其次，郭教授表示：“他们在黑金属表面覆盖一层塑料，形成微型温室，如同农田中的温室一样，该方法可最大限度地抑制对流和传导，从而减少热量散失，提高热端温度。”

刻蚀能量：太阳能热电发电器表面激光刻蚀纳米结构的特写。（罗切斯特大学照片 / J. Adam Fenster）

最后，在STEG的冷端，他们再次利用飞秒激光脉冲处理普通铝材，构建具有微结构的散热器，以增强通过辐射和对流的散热。该工艺使典型铝散热器的冷却性能翻倍。

在这项研究中，郭春雷教授及其团队提供了一个简单演示，展示其STEGs相比现有方法能更高效地驱动LED。郭教授表示，该技术还可用于为物联网的无线传感器供能，为可穿戴设备提供能源，或作为农村地区的离网可再生能源系统。（来源：中国光学微信公众号）

不同热管理策略的STEG驱动LED效果对比。从左到右依次为：无热管理、仅冷端热管理、仅热端热管理、以及双端热管理的效果。（来源：Light: Science & Applications）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01916-9