Науковці, що шукають нові шляхи для значного підвищення потужності сонячних генераторів, оголосили про новаторське відкриття. Їм вдалося розробити метод, який може збільшити ефективність таких пристроїв у 15 разів. Цей визначний прорив ґрунтується на застосуванні унікального, витравленого лазером «чорного металу», над яким дослідники працювали протягом останніх п’яти років. Тепер вчені сподіваються застосувати його у сонячних термоелектричних генераторах, відомих як СТЕГ (STEGs).
СТЕГи – це твердотільні електронні пристрої, які перетворюють теплову енергію на електричну за допомогою ефекту Зеебека. Ефект Зеебека, відкритий німецьким фізиком Томасом Йоганном Зеебеком у 1821 році, полягає у виникненні електричного струму в замкнутому колі, що складається з різнорідних провідників або напівпровідників, при наявності різниці температур між їхніми контактами. Іншими словами, коли є різниця температур між матеріалами, це викликає рух заряджених частинок, що створює електрорушійну силу (ЕРС), або напругу.
СТЕГ містить напівпровідникові матеріали, розташовані між «гарячою» та «холодною» сторонами. Коли гаряча сторона нагрівається – чи то сонцем, чи іншим джерелом теплової енергії – рух електронів через напівпровідниковий матеріал створює електричний струм.
Однак проблема з існуючими СТЕГами полягає у їхній надзвичайно низькій ефективності: вони перетворюють менше 1% сонячного світла на електроенергію. Це різко контрастує з фотоелектричними сонячними панелями, які зазвичай можна побачити на дахах будинків і які перетворюють близько 20% отриманого світла на електрику.
Проте у новому дослідженні, опублікованому 12 серпня у науковому журналі «Light: Science and Applications», вчені використали метали, оброблені лазером, які отримали назву «чорний метал» через їхній глибокий, насичений чорний вигляд. Завдяки цій розробці їм вдалося збільшити енергоефективність сонячного термоелектричного генератора у 15 разів.
Лазерна обробка для покращення ефективності
Метод передбачає вплив на шматок вольфраму надзвичайно швидкими та точними лазерними імпульсами для витравлювання мікроскопічних канавок на його поверхні. Вольфрам – це дуже твердий та тугоплавкий метал, що має найвищу температуру плавлення серед усіх металів, тому його часто використовують у високотемпературних додатках. Ці «нанорозмірні гравюри» дозволили вольфраму поглинати більше теплового випромінювання та утримувати його протягом довшого часу.
Лазерні імпульси також мають ефект перетворення поверхні будь-якого металу на глибокий чорний колір, що значно підвищує його здатність поглинати тепло. Дослідники з Університету Рочестера – провідного приватного дослідницького університету, розташованого в Рочестері, штат Нью-Йорк, США, що є осередком багатьох наукових відкриттів – потім накрили «чорний вольфрам» шматком пластику, створивши своєрідну «міні-теплицю», яка утримувала ще більше тепла.
Для холодної сторони СТЕГ вчені взяли шматок звичайного алюмінію, який є легким і добре проводить тепло, і знову обробили його лазерними імпульсами. Крихітні гравюри на металі створили «мікроструктурний тепловідвід надвисокої потужності», який, за твердженням команди, був удвічі ефективнішим у розсіюванні тепла порівняно зі звичайним алюмінієвим радіатором.
Щоб перевірити систему, дослідники використали її для живлення світлодіода за умов імітованого сонячного світла. Звичайний СТЕГ не міг освітлити світлодіод навіть при впливі світла, у 10 разів сильнішого за нормальне сонячне. Проте, коли обидві сторони пристрою були оброблені «чорним металом», він запалив світлодіод на повну яскравість при світлі, у п’ять разів сильнішому за нормальне сонце, що еквівалентно 15-кратному збільшенню вихідної потужності.
Хоча ця технологія навряд чи найближчим часом замінить великі сонячні ферми, вона потенційно може бути використана для бездротових сенсорів Інтернету речей (IoT) з низьким споживанням енергії. Інтернет речей – це концепція мережі фізичних об’єктів, оснащених сенсорами, програмним забезпеченням та іншими технологіями, які дозволяють їм підключатися та обмінюватися даними з іншими пристроями та системами через Інтернет. Також її можна застосовувати у пристроях, що носяться, або як автономні системи відновлюваної енергії у віддалених сільських районах, зазначили дослідники у своїй заяві.
«Протягом десятиліть дослідницька спільнота зосереджувалася на покращенні напівпровідникових матеріалів, що використовуються у СТЕГах, і досягла лише помірних успіхів у загальній ефективності», – заявив Чуньлей Го, співавтор дослідження, професор оптики та фізики, а також старший науковий співробітник Лабораторії лазерної енергетики Університету Рочестера. «У цьому дослідженні ми навіть не торкалися напівпровідникових матеріалів – натомість ми зосередилися на гарячій та холодній сторонах пристрою. Поєднавши краще поглинання сонячної енергії та утримання тепла на гарячій стороні з кращим розсіюванням тепла на холодній стороні, ми досягли дивовижного покращення ефективності».
