أعلن معهد البصريات التابع لجامعة روتشستر في الولايات المتحدة مؤخرًا أن فريق البحث العلمي التابع له قد قام بزيادة كفاءة توليد الطاقة للمولد الكهروضوئي الشمسي (STEG) بنحو 15 مرة من خلال تصميمات مبتكرة في الهيكل والإدارة الحرارية، مما يجلب الأمل العملي لطريقة استخدام الطاقة الشمسية "غير المحسنة" على المدى الطويل. وقد تم نشر الأبحاث ذات الصلة في مجلة "الضوء: العلوم والتطبيقات"، والتي توضح أنه يمكن تحقيق تحسن كبير في أداء الإخراج مع زيادة وزن الجهاز بحوالي 25% فقط.
على عكس الألواح الكهروضوئية المنزلية التي تحول الفوتونات مباشرة إلى طاقة كهربائية، تستخدم المولدات الكهربائية الحرارية الشمسية فرق درجة الحرارة بين "الأطراف الساخنة والباردة" لتوليد الكهرباء. آليته الأساسية هي تأثير سيبيك في المواد شبه الموصلة: عندما يتم تسخين أحد طرفي الجهاز وإبقاء الطرف الآخر منخفضًا، فإن فرق درجة الحرارة سيدفع الناقلات إلى التحرك في الاتجاه، وبالتالي توليد تيار كهربائي. ومع ذلك، لفترة طويلة، كانت كفاءة التحويل الكهروضوئي لـ STEG الحالية أقل بشكل عام من 1٪، وهو أقل بكثير من الكفاءة الشائعة البالغة حوالي 20٪ للخلايا الكهروضوئية الموجودة على أسطح المنازل. وهذه الفجوة الهائلة تجعل من الصعب المنافسة في التطبيقات العملية.
وأشار فريق جامعة روتشستر إلى أنه في الماضي، كان مجتمع البحث العلمي يركز بشكل أساسي على تحسين المواد شبه الموصلة في منتصف الجهاز. وعلى الرغم من إحراز بعض التقدم، إلا أن التحسن العام في الكفاءة محدود للغاية. وقال قوه تشونلي، قائد البحث وأستاذ البصريات والفيزياء، إن هذا العمل لم يمس جسم أشباه الموصلات إلا بالكاد، لكنه ركز على الجانبين "الطرف الساخن" و"الطرف البارد". ومن خلال تعزيز امتصاص الحرارة والعزل، وتعزيز تبديد الحرارة، تمت مضاعفة الفرق في درجة الحرارة، وبالتالي تحقيق تحسينات "مذهلة" في الكفاءة.
في "الطرف الساخن"، استخدم الباحثون ليزر الفيمتو ثانية لمعالجة الهياكل النانوية الدقيقة السطحية على مواد التنغستن العادية لإعدادها لامتصاص الطاقة الشمسية الانتقائية (W-SSA). يمكن لهذا السطح المعدني الأسود المعدل أن يمتص أكثر من 80% من ضوء الشمس الساقط عند درجات حرارة عالية مع تقليل فقدان الأشعة تحت الحمراء، وبالتالي الحفاظ على الطاقة الممتصة في النظام قدر الإمكان. ومن أجل منع فقدان الحرارة بشكل أكبر من خلال الحمل الحراري للهواء، قام الفريق بتغليف جهاز الامتصاص في تجويف بلاستيكي صغير، مما يجعله مشابهًا لـ "دفيئة مصغرة". ويقال أنه يمكن أن يقلل من فقدان الحرارة الناجم عن الحمل الحراري بنسبة تزيد عن 40٪.
في "الطرف البارد"، استخدم الفريق أيضًا ليزر الفيمتو ثانية لإجراء معالجة هيكلية مجهرية للألمنيوم وقاموا ببناء مشتت حراري ذو بنية مجهرية (μ-dissipator)، مما أدى إلى تحسين قدرة الجهاز على تبديد الحرارة بشكل كبير. بفضل تحسين البنية السطحية، تم تحسين طبقة تبديد الحرارة هذه في كل من أبعاد تبديد الحرارة بالإشعاع والحمل الحراري. إن أداء تبديد الحرارة الشامل يبلغ حوالي ضعف أداء المشتتات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم العادي، مما يسمح للطرف البارد بالحفاظ على درجة حرارة منخفضة.
من خلال جعل الطرف الساخن أكثر سخونة والطرف البارد أكثر برودة، يتم زيادة فرق درجة الحرارة بين طرفي المولد الكهروحراري الشمسي بأكمله بشكل كبير، ويتم زيادة إنتاج توليد الطاقة بشكل كبير. تظهر العروض التجريبية أن STEG المحسن كافٍ لتشغيل مصابيح LED لإصدار الضوء بشكل أكثر كفاءة. بالمقارنة مع الأجهزة السابقة، تم تحسين سطوع واستقرار مصدر الضوء بشكل كبير، مما يؤكد جدوى فكرة التصميم.
وقال قوه تشونلي إن إمكانات هذه التكنولوجيا في التطبيقات العملية تتجاوز مجرد استبدال جزء من توليد الطاقة الكهروضوئية. وفي المستقبل، من المتوقع توفير حلول طويلة الأجل ومنخفضة الصيانة لإمدادات الطاقة لشبكات الاستشعار اللاسلكية والأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء وبعض أجهزة الاستشعار الطبية، وهي مناسبة بشكل خاص للسيناريوهات التي تتطلب إمدادات طاقة مستمرة من ميكروواط إلى ميليواط. وذكرت الورقة أيضًا أنه من المتوقع أن تلعب هذه الأنظمة دورًا في المناطق النائية والريفية، مما يوفر خيارات الطاقة المتجددة للمناطق التي تفتقر إلى شبكات طاقة مستقرة دون الحاجة إلى الاعتماد على المصفوفات الكهروضوئية الكبيرة أو أنظمة تخزين الطاقة المعقدة.
وعلى الرغم من ذلك، أكد فريق البحث أيضًا أن الكفاءة الإجمالية للمولد الكهروحراري الشمسي المحسن الحالي لا تزال أقل من تلك الخاصة بالسيليكون البلوري التقليدي أو الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة، ولا يمكن استبدالها على المدى القصير. ومع ذلك، يظهر هذا البحث اتجاهًا مهمًا: من خلال تحسين الهندسة المتعلقة بالإدارة الحرارية، بدلاً من "ضغط معجون الأسنان" بشكل أعمى على مادة أشباه الموصلات نفسها، يمكن أيضًا تحسين كفاءة استخدام الطاقة الشمسية بشكل كبير وفتح مسار تطوير جديد لتكنولوجيا الطاقة الشمسية.