飞秒激光刻蚀“黑色金属”，太阳能发电能效提升15倍

与太阳能电池板不同，太阳能热电发电机（STEG）可将任何热源转化为电能。但此前受制于低效难题，该技术发展长期受阻。近期据外媒报道，致力于提升太阳能热电发电机性能的科学家们发现了一种可将效率提高15倍的新方法。

这一突破源自研究人员历时五年开发出的一种独特的激光蚀刻“黑色金属”材料，目前计划将其应用于太阳能热电发电机。该研究由罗切斯特大学光学教授Chunlei Guo团队主导，其创新设计的金属表面具有特殊的纳米结构，能高效吸收太阳能并最大限度减少热辐射损失。

罗切斯特大学研究员Chunlei Guo正在测试一款经飞秒激光脉冲蚀刻的太阳能热电发电机。该技术通过增强太阳能吸收效能，使其实验室创新的黑色金属技术设计成功打造出效能达前代设备15倍的STEG装置，为可再生能源技术开辟了新道路

效率瓶颈，催生技术新路径
太阳能热电发电机是一种固态电子设备，通过塞贝克效应将热能转化为电能——当材料间温差导致带电粒子位移时，就会产生电磁场即电压。太阳能热电发电机的内部是由半导体材料构成，夹在“热端”与“冷端”之间。当热端被太阳或其他热源加热时，电子在半导体材料中的运动会产生电流。

现有太阳能热电发电机技术面临的核心难题是效率极低——其光能转化率不足1%，这与普遍安装于住宅的光伏太阳能板形成鲜明对比，后者可实现约20%的光电转换率。

研究团队在《Light: Science and Applications》期刊上发表的论文中表示，当他们采用经激光处理的金属（因其深墨色外观被称为“黑色金属”）时，可以将太阳能热电发电机的能效提升15倍。这项创新开发的表面处理技术通过飞秒激光在金属表面雕刻出纳米级结构，使其具备超强光吸收特性与热局域化能力，显著增强了太阳能热电发电机的热端温差驱动效能。

Chunlei Guo利用激光产生超快脉冲，在金属表面蚀刻纳米结构，从而制造出高效能太阳能热电发电机

激光蚀刻，打造吸热“黑色金属”
根据报道，该技术是通过使用超快超精密激光脉冲轰击钨金属表面，从而蚀刻出微观沟槽结构。这些纳米级刻痕，使钨金属能够吸收更多热辐射并延长热能的保存时间。激光脉冲的另一效应是将任何金属表面转化为深黑色，显著提升吸热能力。研究人员随后用塑料薄膜覆盖黑色钨金属，形成“微型温室”以进一步锁住热能。

在对太阳能热电发电机的冷端处理中，研究团队采用普通铝材并再次施以激光脉冲轰击。金属表面的微细刻蚀形成了“超高容量微结构散热器”，研究团队宣称其散热效率达到传统铝制散热器的两倍。

太阳能热电发电机表面激光蚀刻纳米结构的特写镜头
 

为验证系统性能，研究人员在模拟太阳光下成功点亮LED灯。普通太阳能热电发电机即使暴露于10倍标准日照强度下仍无法点亮LED，而采用双面黑色金属处理后的装置，仅需5倍标准日照强度就能使LED达到满亮度发光——相当于实现15倍的功率输出提升。

研究人员在声明中表示，尽管该项技术短期内无法替代太阳能农场，但未来有望应用于低功耗无线物联网（IoT）传感器、可穿戴设备，或作为农村地区的离网可再生能源系统。

该研究合著者、罗切斯特大学光学与物理学教授、激光能量学实验室高级科学家Chunlei Guo在声明中表示：数十年来，业界始终致力于改进太阳能热电发电机的半导体材料，但整体效率提升有限。本研究另辟蹊径——我们未对半导体材料进行任何改动，而是聚焦于器件的热端与冷端优化。通过同步提升热端的太阳能吸收与热能捕获效率，并强化冷端的散热性能，实现了效率的惊人飞跃。