لقد وجد الباحثون للتو طريقة لجعل الطاقة الشمسية أكثر كفاءة بشكل ملحوظ. STEG لتقف علي مولد الطاقة الشمسية الحرارية. يعمل الجهاز باستخدام مبدأ بسيط يسمى تأثير Seebeck، حيث يؤدي اختلاف درجة الحرارة بين موصلين مختلفين إلى توليد جهد كهربائي.
يستخدم الباحث في جامعة روتشستر، غونلي غو، ضوء الشمس الاصطناعي لاختبار مادة STEG، المحفورة بآلاف من نبضات الليزر. ج. آدم فينستر/جامعة روتشستر
ببساطة، STEG هو جهاز بارد من جهة وساخن من جهة أخرى، مع تدفق الكهرباء عبر شبه موصل بينهما. إن STEG هو جهاز ذو حالة صلبة لا يحتوي على أجزاء متحركة، وبينما يمكن تسخين الطرف الساخن بواسطة الطاقة الشمسية، فإنه يمكنه استخدام أي نوع من الطاقة الحرارية تقريبًا للحفاظ على درجات حرارة عالية.
في حين أن كل هذا يبدو وكأنه شكل من أشكال توليد الطاقة السلبية، إلا أن STEGs كانت قادرة تقليديًا على تحويل أقل من 1٪ من ضوء الشمس إلى كهرباء. وبالمقارنة، حققت الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت/السيليكون معدلات تحويل طاقة تزيد عن 30%، ويبدو من غير المرجح أن تحل شركة STEG محل الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت/السيليكون كمصدر مشروع وواسع النطاق للطاقة النظيفة على المدى القصير.
ومع ذلك، يبدو أن التقدم الجديد الذي حققه الباحثون في جامعة روتشستر على وشك تغيير هذا التصور. ومن خلال دراسة المواد الموجودة على جانبي الشركة التونسية للكهرباء والغاز، تمكن الفريق من زيادة كفاءتها في تحويل حرارة الشمس إلى كهرباء إلى 15%. وتصف الدراسة، التي نشرت في مجلة Light: Science and Applications، هذا الاختراق الذي قال المؤلف المشارك تشونلي قوه إنه خروج جذري عن تركيزات الأبحاث السابقة.
وقال: "لقد عمل مجتمع البحث على تحسين مواد أشباه الموصلات المستخدمة في STEG لعقود من الزمن، وقد حقق بعض التقدم في الكفاءة الشاملة". "في هذه الدراسة، لم نتطرق حتى إلى المواد شبه الموصلة، ولكننا ركزنا على الجوانب الساخنة والباردة للجهاز. ومن خلال الجمع بين خصائص أفضل لامتصاص الطاقة الشمسية وحبس الحرارة على الجانب الساخن مع تبديد أفضل للحرارة على الجانب البارد، حققنا مكاسب مذهلة في الكفاءة."
يستخدم الفريق مذبذب الليزر لتوليد نبضات ضوئية لحفر الهياكل النانوية على المولدات الكهربائية الحرارية
ولتحقيق هذا التحسن، بدأ جو وفريقه بمعدن أسود فريد من نوعه اخترعه مختبره في عام 2020. ولتصنيع المعدن، استخدموا التنغستن أولاً ثم قاموا بسفعه باستخدام نبضات ليزر الفيمتو ثانية (سلسلة من نبضات الضوء القصيرة جدًا التي تحفر سطح المعدن). وهذا لا يحول التنغستن إلى لون أسود يمتص الحرارة فحسب، بل إن وضع الدمامل التي تم إنشاؤها بالليزر يسمح له بامتصاص المزيد من الحرارة من ضوء الشمس والاحتفاظ بها لفترة أطول.
بعد ذلك، يتم تغطية سلك التنغستن "بقطعة من البلاستيك لإنشاء دفيئة مصغرة، مثل تلك الموجودة في المزرعة"، كما يوضح غو. هذا يحتفظ بالحرارة بشكل أفضل.
بالنسبة للجانب البارد من STEG، قام الفريق بتسليط ليزر فائق السرعة على لوح من الألومنيوم لإنشاء مشتت حراري يتمتع بخصائص ممتازة لتبديد الحرارة. في الواقع، يقول الباحثون إن الألمنيوم المحفور يبدد الحرارة مرتين مقارنة بالألمنيوم العادي.
لقطة مقربة للتنغستن المحفور ج. آدم فينستر / جامعة روتشستر
على الرغم من أن الأمر قد يستغرق بعض الوقت قبل أن توفر شركة STEG الطاقة على مستوى الشبكة، إلا أن الباحثين يقولون إن اختراقهم - الذي تم إثباته من خلال تشغيل مجموعة من مصابيح LED - يمكن استخدامه في التطبيقات التي تتطلب طاقة أقل، مثل العمل في إنترنت الأشياء، أو تشغيل الأجهزة القابلة للارتداء أو توصيل الطاقة إلى المنازل الفردية في المناطق الريفية.
المصدر: جامعة روتشستر