作者 / 钱亚光

编辑 / 张 南

设计 / 柴文静

随着全球工业化进程的加速，传统化石能源的消耗与日俱增，带来了环境污染、气候变化等诸多问题。寻找可持续、清洁的替代能源迫在眉睫。

作为一种清洁、可再生的能源，太阳能取之不尽、用之不竭，成为众多科学家研究的重点方向，与之相关的每一次技术突破都备受瞩目。

▲ 新型高效的太阳能热电发电机在热端采用激光蚀刻黑色金属吸热，并用一块塑料覆盖黑色金属以打造小型温室储热，还在冷端使用激光蚀刻散热器。（University of Rochester / J. Adam Fenster）

一种能在阳光下“燃烧”的黑色金属，正在改写太阳能热电发电机（Solar Thermoelectric Generator，STEG）的规则。美国罗切斯特大学（University of Rochester）的科学家们用飞秒激光雕刻出的纳米结构，让普通金属变身高效能量转换器。

这种被称为“Black metal”的太阳能热电发电机，不仅将效率提升15倍，更重新定义了人类捕捉阳光的方式。在能源危机与碳中和目标的双重驱动下，这颗实验室里的“黑色火种”，正试图点燃一场能源革命。

01

从瓶颈突围的“黑科技”

传统的光伏太阳能电池板虽已广泛应用，但存在着一些局限，如只能利用可见光，对红外等波段“视而不见”；对环境温度敏感等局限性，温度升高还会导致效率骤降——这就像给太阳能戴上了“有色眼镜”和“温控枷锁”。

而太阳能热电发电机打破了这种局限，能直接将热能（包括阳光、环境热量甚至人体温度）转化为电能，理论上可利用全光谱太阳能，具有更广阔的应用前景。

但长期以来，STEG的实际转化率大多低于1%，而市场上最好的太阳能电池板转化率可超过20%。效率低下使其只能在实验室或边缘应用中使用，极大地限制了其大规模应用。

为了提高STEG的效率，科学家们进行了大量研究，最初主要集中在改进半导体材料，但进展缓慢，效率提升有限。

▲ 罗切斯特大学研究员郭春雷率领的团队开发了一种蚀刻有飞秒激光脉冲的太阳能热电发电机（STEG），大大提高了太阳能吸收和转换效率。（University of Rochester photo / J. Adam Fenster）

罗切斯特大学的光学研究所郭春雷（Chunlei Guo）教授团队另辟蹊径，放弃了传统思路中对半导体材料的死磕，转而将目光投向能量转换的“热端-冷端”温差核心。

他们发现，限制STEG效率的关键并非材料本身，而是“吸热不足”与“散热不力”的双重瓶颈。基于这一洞察，团队耗时5年研发出“黑色金属（Black metal）”技术，最终在2025年8月12日将成果发表于《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）。

这份由中国科学院与Springer Nature联合出版的顶级期刊，影响因子高达20.257，在光学与能源领域的权威性堪比《自然》子刊，其发表的成果往往代表着学科前沿的突破性进展。

02

纳米级的“冰火魔法”

发电机的核心奥秘，是基于托马斯·约翰·塞贝克（Thomas Johann Seebeck）在1821年发现的塞贝克效应（Seebeck effect）。

这种热电效应描述了当两种不同的导体或半导体在它们的接点处有温度差时，会在这些材料之间产生电压差的现象。具体来说，当一个热端和一个冷端通过两种不同的导体连接时，就会在电路中产生电动势，进而形成电流。

Black metal热电发电机由热端和冷端组成，中间由半导体材料隔开。当热端吸收太阳能等热能后温度升高，冷端保持相对低温，两端产生温度差。由于温度差的存在，电子会从高温端向低温端扩散，从而形成电流，实现热能到电能的转化。

▲ 郭春雷实验室使用激光产生飞秒激光脉冲，在金属表面蚀刻出纳米结构，从而制造出高效的自供电热电装置。（University of Rochester photo / J. Adam Fenster）

在热端，研究团队用飞秒激光脉冲（一种持续时间仅千万亿分之一秒的超强激光）对普通钨片进行蚀刻。这种极端能量在黑色金属表面“雕刻”出直径仅10纳米的微结构，形成类似“光陷阱”的阵列——它能吸收99%的太阳全光谱能量（从紫外到远红外），却几乎不向外辐射热量，让钨片在阳光下迅速升温至200℃以上。

更精妙的是，团队在其表面覆盖了一层聚酰亚胺薄膜，构建出“微型温室”：既允许阳光穿透，又阻断热对流损失，使热端温度再提升30%。

冷端的设计同样颠覆传统。铝制散热器被激光蚀刻出蜂窝状纳米孔，这些结构通过增强热辐射和空气对流，使散热效率提升两倍。当热端维持高温而冷端保持室温时，两端形成的150℃以上温差，在电子从热端“狂奔”至冷端的过程中，就在电路中形成了持续电流。

这种“吸热-隔热-散热”的三重协同设计，就像给发电机装上了“纳米级聚光镜”和“超导散热器”，在全球太阳能热电研究中独一无二。

Black metal技术的稀缺性还体现在其近乎苛刻的制造工艺上。飞秒激光蚀刻需要在超洁净实验室中进行，金属表面的纳米结构精度必须控制在±1纳米范围内，任何微小偏差都会导致吸热效率下降40%以上。郭春雷团队耗费3年才优化出稳定的蚀刻参数，目前全球能复现该工艺的实验室不超过5家。

03

太阳能利用的新突破

这项技术的出现，为太阳能利用带来了三重突破性进步。

首先，它在效率方面实现了质的突破，首次实现了“全光谱捕获+温差发电”的高效融合。传统光伏电池只能利用40%的太阳光谱，而Black metal对红外线等“被浪费”的波段吸收率提升至95%，为太阳能的高效利用开辟了新途径。

其次，在太阳能吸收和热量管理方面表现出色，解决了太阳能的“间歇性难题”。不同于光伏板在阴天失效，该发电机能吸收环境中的散射光和热能（甚至夜间的地面辐射热），在弱光条件下仍保持30%的效率，这为24小时持续发电提供了可能。

▲ 太阳能热电发电机表面激光蚀刻纳米结构的特写镜头。（University of Rochester photo / J. Adam Fenster）

第三，开创了“分布式微能源”的新范式。它采用的材料和制造工艺，有望使设备在保持高效性能的同时，实现小型化和轻量化。其模块化设计可缩小至硬币大小，也能拼接成大型阵列，为其在一些特殊场景和小型设备中的应用提供了可能。

目前，Black metal太阳能热电发电机在实验室环境中已实现15%的能量转换效率——这一数字看似不高，却是传统STEG的15倍，更是同类纳米结构热电设备的3倍以上。团队已成功用掌心大小的样机为LED灯、温湿度传感器持续供电，连续运行180天无性能衰减。

与其他前沿技术相比，其优势显而易见：麻省理工学院（MIT）研发的“光伏-热电混合系统”虽效率达18%，但体积庞大且成本高昂；瑞士联邦理工学院的“碳纳米管热电材料”效率仅0.8%。而在稳定性上，它能在-40℃至80℃的极端温度下正常工作，远超传统设备的-20℃至50℃范围。

04

从实验室到市场的鸿沟

尽管Black metal太阳能热电发电机展现出了巨大潜力，但目前仍存在一些不足之处，该技术从实验室走向市场还面临诸多挑战。

大规模生产时，如何保证产品质量的一致性和稳定性，同时有效控制成本，是亟待解决的问题。所以，尽管前景诱人，Black metal技术走向商业化仍面临数重关卡。

成本控制是最大难题。目前的制造工艺较为复杂，涉及飞秒激光蚀刻等高端技术，这不仅对设备要求高，而且生产成本昂贵，限制了其大规模推广应用。

▲ 郭春雷实验室制造的一块“黑色金属”样本。（University of Rochester photo / J. Adam Fenster.）

实验室级飞秒激光设备每台造价超200万美元，单次蚀刻仅能生产10片厘米级样品。据罗切斯特大学技术转移办公室估算，要将成本降至每瓦0.5美元（光伏板当前水平），需开发量产型蚀刻设备，这至少需要5年研发和1亿美元投入。

长期稳定性和耐久性也有待改进。该发电机对环境条件有一定要求。虽然能够利用多种形式的热能，但在不同环境温度、光照强度等条件下，其性能可能会受到影响。目前使用的聚酰亚胺薄膜在200℃以上会逐渐老化，虽实验室测试显示其寿命可达5年，但户外长期暴晒下的耐久性仍需验证。团队正尝试用石墨烯涂层替代，但成本可能增加30%。

作为全新技术，其发电效率检测方法、安全认证标准均无行业规范，这可能延缓市场准入进程。美国能源部已将其纳入“先进能源技术标准制定计划”，但完整体系建立至少需要3年。

市场推广和用户接受度也是商业化的关键因素。新的能源技术往往需要一定时间来被市场和用户所认识和接受，需要进行大量的宣传和示范应用。

此外，还需要建立完善的售后服务体系，确保产品在使用过程中的稳定性和可靠性，消除用户的后顾之忧。同时，与传统能源和其他可再生能源技术的竞争也是不可避免的，如何在竞争中凸显自身优势，占据市场份额，是该技术实现商业化成功的重要挑战。

05

从太空到皮肤的能源网络

从理论上讲，Black metal太阳能热电发电机具有广泛的应用前景。一旦突破商业化瓶颈，这项技术将在六大领域引发变革。

在偏远地区和农村，它能够利用多种形式的热能，即使在阳光不是特别充足的情况下，也能通过收集环境中的热能进行发电，满足基本的生活用电需求，改善偏远地区电力短缺的现状。

在物联网领域，该技术可用于为无线传感器供电。Black metal太阳能热电发电机的小型化和高效能特点，使其能够为这些传感器提供长期、可靠的电力，推动物联网技术的更广泛应用。

对于可穿戴设备而言，Black metal太阳能热电发电机有望解决改善电池续航能力。贴在皮肤表面的柔性版本能利用体温与环境的温差发电，让智能手表、健康监测贴片等可穿戴设备实现“自供电”，摆脱对传统电池的依赖，提升用户体验。

在航空航天中，其耐辐射特性使其成为卫星供电的理想选择——国际空间站的太阳能板效率会因宇宙射线逐年下降，而Black metal设备可维持10年以上稳定运行。

在工业余热回收市场，Black metal设备的潜力也同样巨大。钢铁厂、玻璃窑炉排放的高温废气可被其转化为电能，单座中型钢铁厂安装后每年可回收1.2亿度电。

在建筑节能领域，集成该技术的玻璃幕墙可能一边遮阳，一边将热量转化为建筑用电，降低空调负荷的同时实现能源自给。

可以说，在对能源设备的效率、稳定性和轻量化有较高要求的领域，Black metal太阳能热电发电机凭借其高效、紧凑、相对轻量化的特点，都具有潜在的应用价值。

06

技术竞争与未来方向

从长远来看，Black metal太阳能热电发电机的发展前景较为乐观。如果Black metal太阳能热电发电机能够成功克服当前面临的技术和成本难题，实现大规模商业化生产，将在能源领域掀起一场新的变革。

其实，全球在太阳能热电领域的探索不只有罗切斯特大学一家，而是呈现“多点开花”态势。

比如斯坦福大学开发了“有机-无机杂化热电材料”，柔性优势突出但效率仅1.1%；中国科学院上海硅酸盐研究所的“氧化物热电陶瓷”成本低廉，却需800℃以上高温驱动。相比之下，Black metal在效率、成本、温度适应性上形成了独特优势。

郭春雷团队下一步计划聚焦两处突破：一是开发“自清洁”纳米结构，解决户外积尘导致的效率衰减问题；二是将设备厚度从当前的2毫米降至50微米，使其能像贴纸一样附着在任意表面。罗切斯特大学已为该技术申请12项国际专利，多家能源企业正洽谈技术授权，预计2028年前将推出首款商用原型产品。

从实验室里的黑色金属片，到未来遍布世界的“能源皮肤”，Black metal太阳能热电发电机的旅程才刚刚开始。它的真正价值，不仅在于效率的提升，更在于让人类重新思考：当阳光可以被如此精准地捕捉和转化时，能源的可持续未来，或许比我们想象的更近。