通过结合飞秒激光光谱工程和先进的热管理策略，一项研究成功将太阳能热电发电机（STEG）的输出功率提升了15倍，而设备重量仅增加了25%。该方法的核心在于双管齐下：在热端，使用经飞秒激光处理的钨选择性太阳能吸收器（W-SSA）和温室腔来最大化吸热并减少热损失；在冷端，则利用微结构散热器（μ-dissipator）来增强对流和辐射散热。这种协同效应极大地增加了设备两端的温差，从而显著提高了发电效率和功率密度。
太阳能热电发电机的核心挑战
太阳能热电发电机（STEG）基于塞贝克效应，通过材料两端的温差（ΔT）来发电。与只能利用特定波段光谱的光伏电池不同，STEG可以利用整个太阳光谱的能量。然而，它们的商业化应用一直受限于极低的转换效率，通常低于1%。
- 材料瓶颈： 几十年来，热电材料的品质因数（ZT值）进展缓慢，始终在1左右徘徊。
- 温差限制： 发电功率与温差（ΔT）直接相关。要提高功率，就必须在有效吸收太阳能的同时，尽可能增大设备热端和冷端之间的温差。
因此，提升STEG性能的关键突破口从材料本身转向了更高效的热管理策略。
热端管理：最大化吸热，最小化散热
为了提高热端温度（({T}_{h})），需要同时实现两个目标：高效吸收太阳能和有效抑制热量损失。
光谱工程：打造选择性太阳能吸收器 (W-SSA)
理想的太阳能吸收器应在太阳光谱范围（300–2500 nm）内有高吸收率，同时在红外波段（2.5–20 μm）有低发射率，以减少辐射热损失。
- 飞秒激光加工： 通过飞秒激光在钨（W）表面制造纳米结构，可以精确调控其光谱特性。
- 材料选择： 在对镍、铜、铝和钨等多种金属进行测试后，钨（W） 因其高熔点和优异的光谱选择性而被选中。
- 性能提升： 优化后的W-SSA吸收器，其太阳光谱加权吸收率达到 0.9，同时保持了与未处理钨几乎一样低的红外发射率。
- 效果验证： 仅集成W-SSA，就使STEG的峰值输出功率比裸露的STEG提升了约7倍。
通过在原子尺度上重塑材料表面，飞秒激光将一块普通的金属变成了一个高效的太阳能捕获器。
对流管理：用温室腔锁住热量
除了辐射散热，与空气的对流也是热量损失的重要途径。研究人员设计了一个“温室腔”来解决这个问题。
- 设计原理： 在吸收器上方用一层透明塑料薄膜（如保鲜膜）和一个隔热垫片， trapping 一层静止的空气。空气是热的不良导体，可以有效隔绝热对流。
- 优化厚度： 模拟和实验表明，6毫米厚的空气层在抑制对流和避免传导热损失之间取得了最佳平衡。
- 协同效果： 在W-SSA的基础上增加温室腔后，STEG的输出功率比没有任何热管理的对照组提升了约10倍。
冷端管理：高效排出废热
最大化温差的另一半努力，在于尽可能降低冷端温度（({T}_{c})）。这需要一个高效的散热系统。
微结构散热器 (μ-dissipator)
传统的散热片通常体积庞大，限制了STEG在需要轻量化的场景中的应用。该研究利用飞秒激光在轻质铝箔上直接制造了微结构散热器（μ-dissipator）。
- 双重增强： 飞秒激光在铝箔表面刻蚀出微米级的沟槽和脊状结构，这些结构：
- 增加表面积： 显著增大了与空气接触的面积，强化了对流散热。
- 提高发射率： 表面覆盖的纳米/微米结构改变了材料的光学特性，使红外发射率提升了约7.2倍，强化了辐射散热。
- 优化设计： 经过模拟优化，宽度为200-300微米、深度为100-150微米的微沟槽结构被证明是最高效的设计。
- 效果验证： 集成了μ-dissipator的STEG，其输出功率是使用普通铝散热片STEG的约2.3倍。
协同效应：性能的飞跃
当热端和冷端的热管理策略被结合使用时，其效果远超各部分之和。
通过结合热端的 W-SSA吸收器、温室腔 和冷端的 μ-dissipator，STEG的整体性能实现了质的飞跃。
- 最终成果： 相比于没有任何热管理的对照组，集成了全套系统的STEG实现了约15倍的峰值输出功率提升。
- 轻量化优势： 整个热管理系统的增加，仅使设备总重量增加了25%，实现了极高的功率密度。
- 实际应用展示： 在实验中，经过优化的STEG在5倍太阳光照下即可点亮LED灯至最高亮度，而没有热管理的STEG即使在10倍光照下也无法点亮。
这项研究证明，通过先进的光谱工程和热管理，可以大幅提升现有热电材料的性能，为STEG在物联网传感器、可穿戴设备和离网发电系统等领域的应用开辟了新的可能性。