Naukowcy z Uniwersytetu w Rochester dokonali istotnego postępu, który może zmienić postrzeganie technologii termogeneratorów słonecznych. Mowa o tych, które zamieniają różnicę temperatur bezpośrednio na prąd dzięki zjawisku Seebecka. STEG nie zamienia fotonów bezpośrednio w elektrony jak tradycyjne panele słoneczne, tylko najpierw absorbuje promieniowanie i robi z niego ciepło, a następnie prąd. Nowe zmodyfikowane urządzenie osiąga w tym całym procesie rezultaty, o jakich wcześniej można było tylko pomarzyć. Czy to oznacza rewolucję?
Rewolucyjna technologia czarnego metalu, czyli jak odmienić STEG
Kluczowe badania opublikowano niedawno w czasopiśmie Light: Science and Applications. Zamiast iść utartą ścieżką udoskonalania półprzewodników, zespół profesora Chunlei Guo postawił na inżynierię termiczną i spektralną. To właśnie podejście okazało się przełomowe.
Czytaj też: Cicha, ale potrzebna. Oto akumulatorowa rewolucja, której potrzebuje świat
Przez dziesięciolecia społeczność badawcza skupiała się na ulepszaniu materiałów półprzewodnikowych używanych w STEG-ach i osiągnęła skromne zyski w ogólnej wydajności. W tym badaniu nawet nie dotykamy materiałów półprzewodnikowych. Zamiast tego skupiliśmy się na gorącej i zimnej stronie urządzenia – powiedział Chunlei Guo, profesor optyki i fizyki
Sercem rozwiązania jest tzw. “czarny metal”. Nie nowy pierwiastek, a ot wolfram poddany obróbce laserem femtosekundowym. Wytrawione w procesie nanostruktury pozwalają mu absorbować ponad 80% światła słonecznego, minimalizując jednocześnie emisję ciepła. Proste? Teoretycznie tak, ale samo przygotowanie takiego metalu wymaga jeszcze dalszych zmian. Te z osobna wnoszą istotny wkład do możliwości STEG, ale dopiero ich połączenie daje spektakularny rezultat.
Czytaj też: Koniec z akumulatorami robiącymi nas w konia. Chiny znalazły sposób na rewolucję każdego EV
Pierwszy element to wspomniany absorber. Laserowe modyfikacje powierzchni wolframu potroiły jego skuteczność w porównaniu do tradycyjnych materiałów ceramicznych. Absorpcja sięgnęła 0,9, co stanowi imponujący wynik, jak na tę technologię. Drugi trick to już warstwa plastiku tworząca efekt miniaturowej szklarni. Chociaż brzmi banalnie, to redukuje straty ciepła przez konwekcję i przewodzenie o ponad 40%. Warstwa powietrza o grubości zaledwie 6 mm okazała się niezwykle skuteczna, ale kwestia temperatury wymagała też zastosowania radiatorów po zimnej stronie. Wytrawione laserem struktury zwiększyły ich powierzchnię o 180% w porównaniu do standardowych aluminiowych odpowiedników, a mikrorowki o głębokości 120 mikrometrów i szerokości 320 mikrometrów, wzmocnione zjawiskiem rezonansu plazmonowego, podwoiły efektywność chłodzenia.
Taka wydajność otwiera drzwi do niszowych zastosowań. Kompaktowe rozmiary i niezawodność predestynują te generatory do zasilania czujników IoT, urządzeń noszonych czy medycznych. Szczególnie kuszący jest przyrost mocy, bo zastosowanie czarnego metalu przełożyło się na 15-krotny przy wzroście masy zaledwie o 25%. Jednak ten entuzjazm warto temperować, bo naukowcy zapewne nie bez powodu nie porównali swojego osiągnięcia do paneli fotowoltaicznych, a aktualnie sporą barierą dla nowej technologii są… koszty.
Czytaj też: Tylko 9% realizacji celów na trasach TEN-T. Polska elektromobilność utknęła w martwym punkcie
Technologia obróbki laserem femtosekundowym może i jest skalowalna, ale na obecnym etapie jest droga. Trudno konkurować cenowo z masowo produkowanymi panelami fotowoltaicznymi, mimo lepszego stosunku mocy do wagi. Finansowanie przez National Science Foundation i inne instytucje sugeruje jednak wiarę w komercjalizację, choć sam sukces zależeć będzie jednak właśnie od obniżenia kosztów produkcji i znalezienia zastosowań, gdzie ich unikalne cechy (kompaktowość czy brak ruchomych części) przeważą nad ceną.