Het Institute of Optics van de Universiteit van Rochester in de Verenigde Staten heeft onlangs aangekondigd dat zijn wetenschappelijk onderzoeksteam de energieopwekkingsefficiëntie van de thermo-elektrische zonnegenerator (STEG) met ongeveer 15 keer heeft verhoogd door middel van innovatieve ontwerpen op het gebied van structuur en thermisch beheer, wat praktische hoop biedt voor deze langetermijnmethode van "geen verbetering" van het gebruik van zonne-energie. Relevant onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift "Light: Science and Applications", waaruit blijkt dat een substantiële verbetering van de uitvoerprestaties kan worden bereikt terwijl het gewicht van het apparaat slechts met ongeveer 25% toeneemt.
In tegenstelling tot fotovoltaïsche panelen voor huishoudelijk gebruik die fotonen direct omzetten in elektrische energie, gebruiken thermo-elektrische zonnegeneratoren het temperatuurverschil tussen de "warme en koude uiteinden" om elektriciteit op te wekken. Het kernmechanisme is het Seebeck-effect in halfgeleidermaterialen: wanneer het ene uiteinde van het apparaat wordt verwarmd en het andere uiteinde laag wordt gehouden, zal het temperatuurverschil de dragers ertoe aanzetten om richting te bewegen, waardoor elektrische stroom wordt gegenereerd. Lange tijd is de foto-elektrische conversie-efficiëntie van bestaande STEG echter over het algemeen minder dan 1% geweest, wat veel lager is dan de gebruikelijke efficiëntie van ongeveer 20% voor fotovoltaïsche zonne-energie op daken van huishoudens. Deze enorme kloof maakt het moeilijk om te concurreren in praktische toepassingen.
Het team van de Universiteit van Rochester wees erop dat de wetenschappelijke onderzoeksgemeenschap zich in het verleden vooral concentreerde op het verbeteren van de halfgeleidermaterialen in het midden van het apparaat. Hoewel er enige vooruitgang is geboekt, is de algemene efficiëntieverbetering zeer beperkt. Guo Chunlei, de leider van het onderzoek en hoogleraar optica en natuurkunde, zei dat dit werk nauwelijks het halfgeleiderlichaam raakte, maar zich concentreerde op de "hot end" en "cold end" kanten. Door de warmteabsorptie en -isolatie te versterken en de warmteafvoer te versterken, werd het temperatuurverschil verdubbeld, waardoor "verbazingwekkende" efficiëntieverbeteringen tot stand kwamen.
Aan de "hot end" gebruikten onderzoekers femtoseconde-lasers om micro-nanostructuren aan het oppervlak op gewone wolfraammaterialen te bewerken en ze voor te bereiden tot een selectieve zonne-absorber (W-SSA). Dit gemodificeerde zwarte metalen oppervlak kan bij hoge temperaturen meer dan 80% van het invallende zonlicht absorberen en tegelijkertijd het verlies aan infraroodstraling verminderen, waardoor de geabsorbeerde energie zoveel mogelijk in het systeem blijft. Om het warmteverlies door luchtconvectie verder tegen te gaan, heeft het team de absorber ingekapseld in een kleine plastic holte, waardoor deze op een "miniatuurkas" lijkt. Er wordt gezegd dat het het warmteverlies veroorzaakt door convectie met meer dan 40% kan verminderen.
Aan de "koude kant" gebruikte het team ook femtoseconde-lasers om microstructurele bewerkingen op aluminium uit te voeren en bouwde het een microgestructureerd koellichaam (μ-dissipator), wat het warmteafvoervermogen van het apparaat aanzienlijk verbeterde. Dankzij de optimalisatie van de oppervlaktestructuur is deze warmteafvoerlaag verbeterd in zowel stralings- als convectiewarmteafvoerdimensies. De uitgebreide warmteafvoerprestaties zijn ongeveer tweemaal zo hoog als die van gewone aluminium koellichamen, waardoor het koude uiteinde een lagere temperatuur kan behouden.
Door het warme uiteinde heter en het koude uiteinde koeler te maken, wordt het temperatuurverschil tussen de twee uiteinden van de gehele thermo-elektrische zonnegenerator aanzienlijk vergroot, en wordt de energieopwekking aanzienlijk verhoogd. Experimentele demonstraties tonen aan dat de verbeterde STEG voldoende is om LED's efficiënter licht uit te laten stralen. Vergeleken met eerdere apparaten zijn de helderheid en stabiliteit van de lichtbron aanzienlijk verbeterd, wat de haalbaarheid van het ontwerpidee bevestigt.
Guo Chunlei zei dat het potentieel van deze technologie in praktische toepassingen verder gaat dan het vervangen van een deel van de fotovoltaïsche energieopwekking. Verwacht wordt dat het in de toekomst duurzame, onderhoudsarme stroomvoorzieningsoplossingen zal bieden voor draadloze sensornetwerken, draagbare elektronische apparaten en sommige medische sensoren, vooral geschikt voor scenario's waarin een continue stroomvoorziening van microwatt tot milliwatt vereist is. In het artikel wordt ook vermeld dat dergelijke systemen naar verwachting een rol zullen spelen in afgelegen en landelijke gebieden, omdat ze duurzame energie-opties bieden voor gebieden zonder stabiele elektriciteitsnetwerken, zonder afhankelijk te hoeven zijn van grote fotovoltaïsche zonnepanelen of complexe energieopslagsystemen.
Desondanks benadrukte het onderzoeksteam ook dat de algehele efficiëntie van de huidige verbeterde zonne-thermo-elektrische generator nog steeds lager is dan die van traditionele kristallijne silicium- of dunne-filmzonnecellen, en deze op korte termijn niet kan vervangen. Dit onderzoek laat echter een belangrijke richting zien: door de techniek rond thermisch beheer te optimaliseren, in plaats van blindelings "tandpasta" op het halfgeleidermateriaal zelf te knijpen, kan de efficiëntie van het gebruik van zonne-energie ook aanzienlijk worden verbeterd en een nieuw ontwikkelingspad voor zonne-energietechnologie worden geopend.