罗切斯特大学的一项新型热冷端设计使太阳能热电发电机（STEG）的功率提高了15倍，有望缩小其与传统太阳能电池板的效率差距。
罗切斯特大学的研究人员开发出一种方法，可将太阳能热电发电机（STEG）的功率提升15倍。这一突破有望缩小其与传统太阳能电池板的效率差距，并为可再生能源开辟新的可能性。
与大多数太阳能电池板使用的光伏电池不同，STEG除了利用阳光外，还可以利用各种热源。
该设备的工作原理是利用热端和冷端之间的温差，中间放置半导体材料，通过塞贝克效应发电。
然而，STEG一直面临一个重大限制：大多数设备将不到1%的阳光转化为电能，远低于住宅光伏系统约20%的效率。
得益于罗切斯特大学光学研究所开发的新型光谱工程和热管理方法，这种情况可能会改变。
在一项研究中，研究人员描述了一种无需改变半导体材料本身就能显著提高输出功率的系统。
“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有限的进展，” 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郭春雷（音译）表示。
“在这项研究中，我们甚至没有触及半导体材料 —— 相反，我们专注于设备的热端和冷端。通过在热端结合更好的太阳能吸收和热量捕获，以及在冷端实现更好的散热，我们在效率上取得了惊人的提升。”
强化热端
该团队的方法依赖于三项主要创新。首先，在STEG的热端，他们应用了郭春雷实验室开发的“黑金属”技术。他们利用飞秒激光脉冲在钨上蚀刻出纳米级结构，使其能够选择性地吸收太阳波长的光，同时减少其他波长的热损失。
其次，他们通过用一块塑料覆盖黑金属，制造了微型温室效应。这一层限制了热对流和传导，从而捕获更多热量，提高了热端的温度。
“你可以最大限度地减少对流和传导以捕获更多热量，从而提高热端的温度，” 郭教授解释道。
优化冷端
在冷端，团队再次使用了飞秒激光脉冲 —— 这次是在铝上 —— 制造出一种高效的散热器。该工艺产生了微小的结构，通过辐射和对流两种方式增强了散热效果，使冷却性能比标准铝散热器提高了一倍。
新设计展现了巨大的实际应用潜力。在测试中，升级后的STEG驱动LED的效率远高于早期设备。
据郭教授介绍，该技术可适用于为物联网（IoT）的无线传感器、可穿戴设备或偏远地区的离网可再生能源系统供电。
该研究得到了美国国家科学基金会（National Science Foundation）、FuzeHub以及戈尔根数据科学与人工智能研究所（Goergen Institute for Data Science and Artificial Intelligence）的支持。
研究结果发表在《光：科学与应用》期刊上。
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