Современные солнечные термоэлектрогенераторы (STEG) — устройства, преобразующие тепло в электричество — столкнулись с существенным ограничением: большинство из них работает с производительностью менее 1%, тогда как у бытовых фотоэлектрических систем она достигает примерно 20%. Благодаря новым методам спектральной инженерии и терморегулирования, разработанным Институтом оптики Рочестерского университета, ситуация может измениться.

Ученые спроектировали систему с существенно более высокой выходной мощностью, но не требующую изменения полупроводниковых материалов.

«Десятилетиями научное сообщество занималось улучшением полупроводниковых материалов, используемых в STEG, и добилось лишь небольшого повышения общей эффективности, — сказал Го Чуньлэй, старший научный сотрудник университета. — В этом исследовании мы даже не касались полупроводниковых материалов, а сосредоточились на горячей и холодной сторонах устройства. Сочетая улучшенное поглощение солнечной энергии и удержание тепла на горячей стороне с улучшенной теплоотдачей на холодной стороне, мы добились поразительного повышения эффективности».

Подход команды ученых основывался на трех инновациях, пишет IE. Во-первых, на горячей стороне устройства они применили технологию «черного металла»: используя фемтосекундные лазерные импульсы, они вытравили в вольфраме наноразмерные структуры, чтобы металл мог избирательно поглощать свет на солнечных длинах волн и уменьшать теплопотери на других длинах волн.

Во-вторых, покрыв черный металл слоем пластика, они создали миниатюрный парниковый эффект. Слой ограничивает конвекцию и теплопроводность, позволяя удерживать больше тепла и повышая температуру на горячей стороне.

Что касается холодной стороны, команда вновь использовала фемтосекундные лазерные импульсы — на этот раз на алюминии — для создания высокопроизводительного теплоотвода.

В результате были созданы миниатюрные структуры, которые увеличили теплоотдачу как за счет излучения, так и за счет конвекции. По сравнению со стандартным алюминиевым радиатором эффективность охлаждения увеличилась в два раза.

Испытания подтвердили работоспособность устройства. По словам Го, эту технологию можно адаптировать для питания беспроводных датчиков Интернета вещей, носимой электроники или автономных систем возобновляемой энергии для сельской местности.

Американский стартап приспособил систему зеркал для выработки тепла, которого хватает почти на 200 тысяч литров кипятка в год. Первая промышленная система установлена на роботизированной молочной ферме — вместо пропановых баллонов.