Onderzoekers hebben zojuist een manier gevonden om zonne-energie aanzienlijk efficiënter te maken. STEG staat voor Solar Thermoelectric Generator. Het apparaat werkt volgens een eenvoudig principe dat het Seebeck-effect wordt genoemd, waarbij een temperatuurverschil tussen twee verschillende geleiders een spanning creëert.

Rochester-onderzoeker Ghunlei Guo gebruikt kunstmatig zonlicht om zijn STEG-materiaal te testen, dat is geëtst met duizenden laserpulsen. J. Adam Fenster/Universiteit van Rochester

Simpel gezegd is een STEG een apparaat dat aan de ene kant koud is en aan de andere kant heet, terwijl er elektriciteit door een halfgeleider ertussen stroomt. De STEG is een solid-state apparaat zonder bewegende delen, en hoewel het hete uiteinde kan worden verwarmd door zonne-energie, kan het vrijwel elk type thermische energie gebruiken om hoge temperaturen te handhaven.

Hoewel dit allemaal klinkt als een vorm van passieve energieopwekking, zijn STEG's traditioneel in staat minder dan 1% van het zonlicht om te zetten in elektriciteit. Ter vergelijking: perovskiet/silicium-zonnecellen hebben een energieconversie van meer dan 30% bereikt, en het lijkt onwaarschijnlijk dat STEG op korte termijn perovskiet/silicium-zonnecellen zal vervangen als een legitieme en wijdverbreide bron van schone energie.

Een nieuwe doorbraak van onderzoekers van de Universiteit van Rochester lijkt echter klaar om die perceptie te veranderen. Door de materialen aan beide zijden van de STEG te bestuderen, kon het team de efficiëntie bij het omzetten van zonnewarmte in elektriciteit verhogen tot 15%. De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Light: Science and Applications, beschrijft de doorbraak, die volgens co-auteur Chunlei Guo radicaal afwijkt van eerdere onderzoeksfocus.

"De onderzoeksgemeenschap werkt al tientallen jaren aan het verbeteren van de halfgeleidermaterialen die in STEG worden gebruikt en heeft enige vooruitgang geboekt op het gebied van de algehele efficiëntie", zei hij. "In dit onderzoek hebben we niet eens de halfgeleidermaterialen aangeraakt, maar ons geconcentreerd op de warme en koude kanten van het apparaat. Door betere zonne-absorptie en warmtevasthoudende eigenschappen aan de warme kant te combineren met een betere warmteafvoer aan de koude kant, hebben we verbazingwekkende efficiëntiewinsten behaald."


Het team gebruikt een laseroscillator om lichtpulsen te genereren om nanostructuren op thermo-elektrische generatoren te etsen

Om deze verbetering te bereiken, begonnen Guo en zijn team in 2020 met een uniek zwart metaal dat door zijn laboratorium was uitgevonden. Om het metaal te maken, gebruikten ze eerst wolfraam en zandstraalden het vervolgens met femtoseconde laserpulsen (een reeks ultrakorte lichtpulsen die het oppervlak van het metaal etsen). Hierdoor verandert het wolfraam niet alleen in een warmte-absorberende zwarte kleur, maar door de plaatsing van de met laser gemaakte kuiltjes kan het meer warmte uit zonlicht absorberen en deze langer vasthouden.

Vervolgens wordt de wolfraamdraad bedekt met "een stuk plastic om een ​​miniatuurkas te creëren, zoals die op een boerderij", legt Guo uit. Hierdoor wordt de warmte beter vastgehouden.

Voor de koude kant van de STEG scheen het team met een ultrasnelle laser op een aluminium plaat om een ​​koellichaam te creëren met uitstekende warmteafvoerende eigenschappen. De onderzoekers zeggen dat hun geëtste aluminium de warmte twee keer zo goed afvoert als gewoon aluminium.


Close-up van geëtst wolfraam J. Adam Fenster/Universiteit van Rochester

Hoewel het nog enige tijd kan duren voordat STEG stroom op netschaal levert, zeggen de onderzoekers dat hun doorbraak – gedemonstreerd door het voeden van een reeks LED-lampen – zou kunnen worden gebruikt in toepassingen die minder stroom vereisen, zoals het werken in het Internet of Things, het aandrijven van draagbare apparaten of het leveren van stroom aan individuele huizen in plattelandsgebieden.

Bron: Universiteit van Rochester