Исследователи решают проблему термогенераторов: на 1500% больше мощности благодаря умным поверхностям

Эта новая технология призвана улучшить использование солнечной энергии. (Фото: Lukasz Pawel Szczepanski/Shutterstock)

Команда исследователей из Университета Рочестера в штате Нью-Йорк, США, повысила производительность солнечно-термоэлектрических генераторов (СТЭГ) в 15 раз. Эти генераторы преобразуют тепло непосредственно в электрическую энергию, но до сих пор страдали от крайне низкой эффективности.

Результаты были опубликованы в авторитетном научном журнале Light: Science & Applications. Ключевой прогресс заключается не в новом полупроводниковом материале, а в умной оптимизации поглощения и отвода тепла во всей системе.

Хитрость: Поглощать горячее, излучать холодное

Основная проблема термоэлектрических генераторов заключается в поддержании как можно большей разницы температур между горячей и холодной сторонами. Именно здесь исследователи и сосредоточились, оптимизировав обе стороны с помощью фемтосекундных лазеров.

На горячей стороне они обработали тонкий лист вольфрама. С помощью сверхкоротких лазерных импульсов была создана наноструктура, которая окрашивает металл в черный цвет и придает ему особые свойства. Эта поверхность поглощает более 90% солнечного света, но почти не излучает полученное тепло в инфракрасном диапазоне.

Дополнительно ученые натянули прозрачную пластиковую пленку над поверхностью. Эта простая мера создает изолирующий воздушный слой, подобно мини-теплице, и значительно снижает потери тепла за счет конвекции.

Для холодной стороны алюминиевый лист также был обработан лазером для создания микроструктуры. Этот радиатор может отводить тепло в два раза эффективнее, чем необработанный лист, поскольку увеличенная поверхность улучшает как отдачу тепла воздуху (конвекцию), так и тепловое излучение (радиацию).

Не замена кровельным установкам, но решение для ниши

Достигнутое повышение производительности впечатляет, тем не менее, эта технология в обозримом будущем не заменит классическую фотовольтаику. Абсолютный КПД оптимизированных СТЭГ по-прежнему значительно ниже, чем у коммерческих солнечных элементов.

Однако их сильные стороны лежат в другом. СТЭГ компактны, легки, не содержат движущихся частей и, следовательно, крайне просты в обслуживании. Повышение производительности делает их теперь highly интересной опцией для случаев применения, где именно эти характеристики являются решающими.

Вполне возможным является использование в автономных датчиках для Интернета вещей (IoT), например, в сельском хозяйстве или для мониторинга инфраструктуры. Также для носимых устройств, таких как фитнес-трекеры или медицинские датчики, которые должны непрерывно снабжаться небольшим количеством энергии, эта технология открывает новые возможности энергосбора (energy harvesting).

Масштабируемость остается проблемой

Главным препятствием для широкого применения, вероятно, является производство. Обработка поверхностей фемтосекундными лазерами — это точный, но потенциально медленный и затратный процесс. Масштабирование до больших объемов производства по конкурентоспособной цене будет самой большой проблемой.

Тем не менее, исследование показывает совершенно новый путь повышения эффективности. «Десятилетиями научное сообщество сосредотачивалось на улучшении полупроводниковых материалов, используемых в СТЭГ, и добивалось скромного прироста эффективности», — объясняет профессор Чуньлей Го в сообщении Университета Рочестера. «В этом исследовании мы вообще не трогаем полупроводниковые материалы».

Этот фокус на периферии системы — интерфейсах с окружающей средой — оказался чрезвычайно успешным и может помочь старому технологическому принципу обрести новое, актуальное будущее.

Эта статья была первоначально опубликована 25.08.2025, но до сих пор интересует очень многих наших читателей. Поэтому мы обновили ее и предоставили здесь снова.