فلز سیاه می‌تواند به تولید انرژی خورشیدی کمک زیادی کند
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، در تلاش برای استقلال انرژی، محققان ژنراتور‌های ترموالکتریک خورشیدی (STEG) را به عنوان منبع نویدبخش تولید برق خورشیدی مورد مطالعه قرار داده‌اند. برخلاف فتوولتائیک‌هایی که در حال حاضر در اکثر پنل‌های خورشیدی استفاده می‌شوند، STEGها می‌توانند علاوه بر نور خورشید، انواع انرژی حرارتی را نیز مهار کنند. این دستگاه‌های ساده دارای دو طرف گرم و سرد با مواد نیمه‌هادی در بین خود هستند و اختلاف دما بین دو طرف از طریق یک پدیده فیزیکی به نام اثر سیبک، برق تولید می‌کند.
اما STEGهای فعلی محدودیت‌های عمده‌ای در بهره‌وری دارند که مانع از پذیرش گسترده‌تر آنها به عنوان یک شکل عملی از تولید انرژی می‌شود. در حال حاضر، اکثر ژنراتور‌های ترموالکتریک خورشیدی کمتر از ۱٪ از نور خورشید را به برق تبدیل می‌کنند، در مقایسه با تقریباً ۲۰٪ برای سیستم‌های پنل خورشیدی مسکونی.
این شکاف در کارایی به طرز چشمگیری از طریق تکنیک‌های جدیدی که توسط محققان موسسه اپتیک دانشگاه روچستر توسعه داده شده است، کاهش یافته است.
در مطالعه‌ای که در مجله‌ی Light: Science and Applications منتشر شده است، این تیم روش‌های منحصر‌به‌فرد مهندسی طیفی و مدیریت حرارتی خود را برای ایجاد یک دستگاه STEG که ۱۵ برابر بیشتر از دستگاه‌های قبلی برق تولید می‌کند، شرح داده‌اند.
چونلی گوئو، استاد اپتیک و فیزیک و دانشمند ارشد آزمایشگاه انرژی لیزری روچستر، می‌گوید: «برای دهه‌ها، جامعه تحقیقاتی بر بهبود مواد نیمه‌هادی مورد استفاده در STEGها تمرکز داشته و به دستاورد‌های متوسطی در بهره‌وری کلی دست یافته است.»
«در این مطالعه، ما حتی به مواد نیمه‌هادی دست نزدیم - در عوض، ما بر روی طرف‌های گرم و سرد دستگاه تمرکز کردیم. با ترکیب جذب بهتر انرژی خورشیدی و به دام انداختن گرما در طرف گرم با اتلاف بهتر گرما در طرف سرد، ما به طور شگفت‌انگیزی در کارایی بهبود ایجاد کردیم.»
STEGهای جدید و با راندمان بالا با سه استراتژی مهندسی شدند. اول، در سمت داغ STEG، محققان از یک فناوری ویژه فلز سیاه که در آزمایشگاه گوئو توسعه داده شده بود، برای تبدیل تنگستن معمولی به جذب انتخابی نور در طول موج‌های خورشیدی استفاده کردند. آنها با استفاده از پالس‌های لیزر فمتوثانیه قدرتمند برای حکاکی سطوح فلزی با ساختار‌های نانومقیاس، جذب انرژی ماده از نور خورشید را افزایش دادند، در حالی که اتلاف گرما را در طول موج‌های دیگر نیز کاهش دادند.
دوم، گوئو می‌گوید: «محققان فلز سیاه را با یک تکه پلاستیک پوشاندند تا یک گلخانه کوچک درست مانند یک مزرعه بسازند. شما می‌توانید همرفت و رسانش را به حداقل برسانید تا گرمای بیشتری به دام بیفتد و دما در سمت گرم افزایش یابد.»
در نهایت، در سمت سرد STEG، آنها بار دیگر از پالس‌های لیزر فمتوثانیه‌ای استفاده کردند، اما این بار روی آلومینیوم معمولی، تا یک هیت سینک با ساختار‌های ریز ایجاد کنند که اتلاف گرما را از طریق تابش و همرفت بهبود می‌بخشد. این فرآیند عملکرد خنک‌کننده یک هیت سینک آلومینیومی معمولی را دو برابر می‌کند.
در این مطالعه، گوئو و تیم تحقیقاتی‌اش به طور ساده نشان دادند که چگونه می‌توان از STEGS خود برای تأمین انرژی LEDها بسیار مؤثرتر از روش‌های فعلی استفاده کرد. گوئو می‌گوید این فناوری همچنین می‌تواند برای تأمین انرژی حسگر‌های بی‌سیم برای اینترنت اشیا، تأمین سوخت دستگاه‌های پوشیدنی یا به عنوان سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر خارج از شبکه در مناطق روستایی مورد استفاده قرار گیرد.