پژوهشگران دانشگاه روچستر با دستاوردی شگفت‌انگیز، راندمان تولید برق از گرما و نور خورشید را ۱۵ برابر افزایش دادند.
🔵 ماجرا از چه قرار است؟
مبدل‌های ترموالکتریک خورشیدی (STEG) به عنوان یک فناوری نوین برای تولید برق از خورشید مورد توجه قرار گرفته‌اند. برخلاف پنل‌های خورشیدی معمولی که فقط مستقیماً از نور استفاده می‌کنند، مبدل‌های STEG می‌توانند از گرما نیز بهره ببرند.
طرز کار این مبدل‌ها به این شکل است که یک سمت گرم و یک سمت سرد دارند و مواد نیمه‌هادی در میان آن دو قرار می‌گیرند. اختلاف دما بین دو سمت، از طریق پدیده‌ای به نام اثر سی‌بک، الکتریسیته تولید می‌کند.
🔴 مشکل بزرگ کجا بود؟
مشکل اصلی این بوده که مبدل‌های STEG به‌شدت ناکارآمد هستند. بیشتر این دستگاه‌ها کمتر از ۱ درصد از نور خورشید را به برق تبدیل می‌کنند، در حالی که پنل‌های خورشیدی معمولی مورد استفاده در منازل به حدود ۲۰ درصد بازدهی می‌رسند. همین فاصله زیاد باعث شده که این فناوری به طور گسترده استفاده نشود.
🟢 راه‌حل انقلابی محققان روچستر
پژوهشگران انستیتوی اپتیک دانشگاه روچستر می‌گویند روشی پیدا کرده‌اند که مبدل‌های STEG را بسیار مؤثرتر می‌کند. در مطالعه‌ای که در مجله Light: Science and Applications منتشر شده، آنها روش‌های جدیدی را شرح داده‌اند که تولید برق را ۱۵ برابر نسبت به طرح‌های قبلی افزایش می‌دهد، در حالی که وزن دستگاه فقط ۲۵ درصد بیشتر می‌شود.
پروفسور چونلی گو، استاد اپتیک و فیزیک و دانشمند ارشد در آزمایشگاه انرژی‌های لیزری روچستر، می‌گوید:
«دهه‌هاست که جامعه تحقیقاتی روی بهبود مواد نیمه‌هادی مورد استفاده در STEGها تمرکز کرده و موفقیت‌های محدودی در افزایش راندمان کلی به دست آورده است. در این مطالعه، ما حتی به مواد نیمه‌هادی دست نزده‌ایم – در عوض، روی سمت گرم و سمت سرد دستگاه تمرکز کردیم. با ترکیب جذب بهتر انرژی خورشیدی و به دام انداختن گرما در سمت گرم، همراه با دفع بهتر گرما در سمت سرد، به پیشرفت شگفت‌آوری در راندمان دست یافتیم.»
🛠️ آنها دقیقاً چه کاری انجام دادند؟
رویکرد تیم این بود که نحوه جذب و به دام انداختن گرما در سمت گرم و نحوه آزادسازی گرما در سمت سرد را بهبود بخشند.
🔥 در سمت گرم:
از پردازش لیزری فمتوثانیه استفاده کردند تا تنگستن معمولی را به چیزی تبدیل کنند که جاذب انتخابی خورشیدی یا W-SSA می‌نامند. این سطح بیش از ۸۰ درصد نور خورشید را در دماهای بالا جذب می‌کند و در عین حال تابش مادون قرمز کمتری منتشر می‌کند – یعنی انرژی کمتری هدر می‌رود. برای حفظ گرما، جاذب را درون یک محفظه پلاستیکی کوچک شبیه به گلخانه قرار دادند. این کار اتلاف حرارت ناشی از همرفت را بیش از ۴۰ درصد کاهش داد.
❄️ در سمت سرد:
همان تکنیک لیزری را روی آلومینیوم به کار بردند تا یک دفع‌کننده حرارت ریزساختاری یا μ-dissipator ایجاد کنند. این طراحی خنک‌کاری را هم از طریق تابش و هم از طریق همرفت بهبود بخشید و عملکرد را نسبت به یک سینک حرارتی آلومینیومی معمولی دو برابر کرد.
با داغ‌تر کردن سمت گرم و سردتر کردن سمت سرد، اختلاف دما در دو سر مبدل STEG افزایش یافت که به نوبه خود میزان برق تولیدی را بالا برد.
💡 چه کاربردهایی خواهد داشت؟
محققان نشان دادند که مبدل‌های STEG بهبودیافته آنها می‌توانند چراغ‌های LED را بسیار مؤثرتر از دستگاه‌های فعلی تغذیه کنند.
پروفسور گو همچنین اشاره کرد که این فناوری می‌تواند برای:
مورد استفاده قرار گیرد.
🧠 حرف آخر: چرا این خبر مهم است؟
اگرچه مبدل‌های STEG هنوز هم از پنل‌های خورشیدی معمولی کم بازده‌تر هستند، اما این کار نشان می‌دهد که تمرکز بر مدیریت حرارتی به جای صرفاً بهبود مواد نیمه‌هادی می‌تواند تفاوت بزرگی ایجاد کند. این کشف افق‌های جدیدی را برای نحوه جذب و استفاده از انرژی خورشیدی در آینده می‌گشاید.