Ученые из Университета Рочестера разработали новый солнечный термоэлектрический генератор (СТЭГ) на основе «черного металла», обработанного фемтосекундными лазерными импульсами. Устройство показало эффективность в 15 раз выше, чем у лучших современных аналогов.
Хотя технология пока находится на стадии разработки, исследователи предполагают, что такие генераторы смогут питать малогабаритную носимую электронику или даже стать основой для автономных возобновляемых энергосистем в удаленных и сельских районах. Однако коммерческая жизнеспособность и масштабируемость технологии еще требуют подтверждения.
В отличие от традиционных фотоэлектрических панелей, преобразующих свет в электричество, СТЭГ работают за счет тепловой энергии солнца. Принцип их действия основан на разнице температур между «горячей» и «холодной» сторонами, что создает электрический ток благодаря эффекту Зеебека. Однако даже лучшие существующие СТЭГ преобразуют лишь около 1% поглощаемой солнечной энергии, тогда как современные бытовые солнечные панели достигают КПД свыше 20%.
Профессор оптики и физики Чуньлэй Го, ведущий автор исследования, отметил, что предыдущие попытки повысить эффективность СТЭГ были сосредоточены на улучшении полупроводниковых материалов, но дали лишь незначительный результат. Вместо этого команда из Рочестера решила модифицировать конструкцию «горячей» и «холодной» сторон устройства.
На первом этапе ученые переработали «горячую» сторону, применив технологию «черного металла», ранее разработанную в лаборатории Го. Этот слой, созданный из вольфрама, эффективно поглощает солнечный свет. Затем поверхность металла была обработана фемтосекундным лазером, создающим наноструктуры, которые значительно увеличивают поглощение энергии и снижают теплопотери.
Дополнительно ученые покрыли металл тонким слоем пластика, создав эффект мини-теплицы, что позволило удерживать тепло и повысить температуру «горячей» стороны.
На «холодной» стороне исследователи использовали тот же лазер для нанесения наноструктур на алюминиевый радиатор, что вдвое улучшило теплоотведение.
В результате модификаций новый СТЭГ показал рекордную эффективность, вырабатывая в 15 раз больше энергии, чем предыдущие аналоги. Устройство уже успешно протестировано на питании светодиодов.
По словам Го, коммерческие версии таких генераторов смогут обеспечивать энергией удаленные районы при меньших затратах, чем фотоэлектрические панели. Также технология подходит для маломощных устройств, таких как IoT-датчики и носимые гаджеты.
Кроме того, разработка может быть адаптирована для гибридных систем, использующих как солнечное тепло, так и другие источники.