«Чёрный металл» повысил эффективность солнечных генераторов в 15 раз

Исследователи Рочестерского университета представили разработку, способную заметно изменить представления о возможностях солнечной энергетики. Речь идёт о солнечных термоэлектрических генераторах (СТЭГ), которые, в отличие от привычных фотоэлектрических панелей, способны использовать не только свет, но и любой вид тепловой энергии. Принцип их работы основан на эффекте Зеебека: разница температур между горячей и холодной сторонами устройства создаёт электрический ток.

Проблема в том, что до недавнего времени такие генераторы демонстрировали крайне низкий КПД — менее одного процента солнечного света удавалось преобразовать в электричество. Для сравнения: бытовые солнечные панели используют в среднем около 20 %. Ситуация изменилась после того, как команда под руководством профессора оптики и физики Чуньлэя Го применила новые подходы к конструктивным элементам СТЭГ.

Как пояснил исследователь, традиционно внимание уделялось улучшению полупроводников, а его группа пошла иным путём — сконцентрировалась на оптимизации горячей и холодной сторон устройства. На горячей стороне применили технологию так называемого «чёрного металла» — разработку лаборатории Го, при которой мощные фемтосекундные лазерные импульсы создают на поверхности вольфрама наноструктуры. Это позволяет максимально поглощать солнечное излучение в нужном диапазоне и сокращать теплопотери на других длинах волн.

Для удержания тепла металл дополнительно закрыли прозрачным пластиковым кожухом, по принципу миниатюрной теплицы, чтобы снизить теплопроводность и конвекцию.

На холодной стороне устройства аналогичная лазерная обработка была проведена на алюминии. В результате сформировались микроструктуры, усиливающие теплоотдачу как за счёт излучения, так и за счёт конвекции. Эффективность охлаждения при этом удвоилась по сравнению с обычным алюминиевым радиатором.

В результате комбинации трёх методов — лазерной модификации горячей стороны, тепличного эффекта и усовершенствованного охлаждения — команда смогла создать генератор, который работает в 15 раз эффективнее предыдущих аналогов.

В эксперименте такие устройства питали светодиоды с гораздо меньшими потерями энергии. По словам Го, в перспективе технология может быть использована для автономного питания датчиков Интернета вещей, носимой электроники или небольших энергоустановок в удалённых районах, где нет доступа к централизованным сетям.