Ученые усилили солнечную энергию в 15 раз с помощью технологии «черного металла»

Исследователи из Института оптики Рочестерского университета (Англия) представили новый солнечный термоэлектрический генератор (STEG), который оказался в 15 раз эффективнее существующих аналогов. Их работа опубликована в журнале Light: Science and Applications. Современные солнечные панели в основном основаны на фотоэлектрических элементах, которые преобразуют свет в электричество напрямую и показывают эффективность около 20 процентов.

Но у солнечных термоэлектрических генераторов принцип работы другой: они производят электричество за счет разницы температур между горячей и холодной сторонами устройства. Этот процесс основан на эффекте Зеебека — физическом явлении, когда тепловой поток через полупроводники создает электрический ток. Однако до сих пор такие системы были крайне неэффективны: большинство преобразовывало меньше 1 процента солнечного света в энергию. Команда Чунлея Го, профессора оптики и физики Рочестерского университета, решила подойти к задаче нестандартно. Вместо того чтобы совершенствовать полупроводниковые материалы, как это обычно делается, они сосредоточились на улучшении горячей и холодной сторон генератора. «На протяжении десятилетий исследовательское сообщество пыталось улучшить сами полупроводники и добилось лишь скромных успехов, — поясняет Го. — В нашем случае мы даже не прикасались к ним. Мы улучшили то, как устройство поглощает и удерживает тепло на горячей стороне, и то, как оно рассеивает его на холодной стороне. Это дало удивительный результат». Ученые применили три инновационных метода: Исследователи использовали мощные фемтосекундные лазеры, чтобы изменить структуру поверхности вольфрама. Благодаря этому металл стал избирательно поглощать солнечный свет, превращаясь в «черный металл». Такая поверхность улавливает больше энергии и теряет меньше тепла. Поверхность с черным металлом они покрыли прозрачным пластиком, создавая эффект теплицы. Это снижает потери тепла из-за конвекции и повышает температуру на горячей стороне генератора. На холодной стороне устройства с помощью тех же лазеров была обработана поверхность алюминия. На ней сформировались микроструктуры, которые усиливают теплоотвод сразу двумя способами — через излучение и через конвекцию. Это удвоило эффективность охлаждения по сравнению с обычным алюминием. Благодаря этим трем шагам генератор стал в 15 раз мощнее, чем его предшественники. Чтобы показать практическую ценность технологии, исследователи использовали созданный прототип для питания светодиодов — и он справился с этой задачей куда эффективнее современных решений. По словам Го, у новой разработки может быть множество применений: от автономного питания датчиков для Интернета вещей и носимых устройств до систем возобновляемой энергии для отдаленных населенных пунктов, где нет доступа к электросетям.