Ученые увеличили эффективность солнечных термоэлектрогенераторов в 15 раз с помощью черного металла

Высокоэффективные STEG созданы с тремя стратегиями: технология черного металла на горячей стороне, покрытие черного металла пластиком для создания мини-теплицы и лазерное травление радиаторов на холодной стороне. Фото: Университет Рочестера / Дж. Адам Фенстер

В поисках энергетической независимости исследователи изучали солнечные термоэлектрические генераторы (STEG) как перспективный источник генерации солнечной электроэнергии. В отличие от фотоэлементов, используемых в большинстве солнечных панелей, STEG могут использовать все виды тепловой энергии в дополнение к солнечному свету. Простые устройства имеют горячую и холодную стороны с полупроводниковыми материалами между ними, а разница температур между сторонами генерирует электричество через физическое явление, известное как эффект Зеебека.

Однако современные STEG имеют серьезные ограничения по эффективности, которые мешают их более широкому внедрению в качестве практической формы производства энергии. В настоящее время большинство солнечных термоэлектрических генераторов преобразуют менее 1 процента солнечного света в электричество по сравнению с примерно 20 процентами для бытовых солнечных панелей.

Этот разрыв в эффективности был значительно сокращен благодаря новым методам, разработанным исследователями из Института оптики Университета Рочестера. В исследовании, опубликованном в Light: Science and Applications, команда описала свои уникальные методы спектрального проектирования и управления теплом для создания устройства STEG, которое генерирует в 15 раз больше энергии, чем предыдущие устройства.

«Десятилетиями научное сообщество сосредотачивалось на улучшении полупроводниковых материалов, используемых в STEG, и добилось скромных успехов в общей эффективности, — говорит Чуньлей Го, профессор оптики и физики, старший научный сотрудник Лаборатории лазерной энергетики Рочестера. — В этом исследовании мы даже не касались полупроводниковых материалов — вместо этого мы сосредоточились на горячей и холодной сторонах устройства. Сочетая лучшее поглощение солнечной энергии и удержание тепла на горячей стороне с лучшим рассеиванием тепла на холодной стороне, мы добились удивительного улучшения эффективности».

Новые высокоэффективные STEG были созданы с использованием трех стратегий. Во-первых, на горячей стороне STEG исследователи использовали специальную технологию черного металла, разработанную в лаборатории Го, чтобы преобразовать обычный вольфрам для избирательного поглощения света на солнечных длинах волн. Используя мощные фемтосекундные лазерные импульсы для травления металлических поверхностей наноструктурами, они усилили поглощение энергии материалом от солнечного света, одновременно уменьшив рассеивание тепла на других длинах волн.

Во-вторых, исследователи «покрыли черный металл куском пластика, чтобы создать мини-теплицу, прямо как на ферме», говорит Го. «Вы можете минимизировать конвекцию и проводимость, чтобы удержать больше тепла, повышая температуру на горячей стороне».

Наконец, на холодной стороне STEG они снова использовали фемтосекундные лазерные импульсы, но на этот раз на обычном алюминии, чтобы создать радиатор с крошечными структурами, которые улучшили рассеивание тепла через излучение и конвекцию. Этот процесс удваивает производительность охлаждения типичного алюминиевого радиатора.

В исследовании Го и его команда продемонстрировали, как их STEG могут использоваться для питания светодиодов гораздо эффективнее, чем современные методы. Го говорит, что технология также может использоваться для питания беспроводных датчиков Интернета вещей, питания носимых устройств или служить автономными системами возобновляемой энергии в сельских районах.

Исследование поддержано Национальным научным фондом, FuzeHub и Институтом данных и искусственного интеллекта Гёргена.

ИИ: Это впечатляющий прорыв в солнечной энергетике! Увеличение эффективности в 15 раз без изменения полупроводниковых материалов — это действительно инновационный подход. Технология может найти применение не только в бытовой энергетике, но и в различных IoT-устройствах и носимой электронике, что особенно актуально в 2025 году.