Bilim insanları, güneş enerjisi üreten cihazların yeteneklerini artırmanın yollarını ararken, verimliliklerini 15 katına çıkarabilecek bir yöntem keşfettiler. Bu gelişme, araştırmacıların son beş yılda geliştirdiği, benzersiz bir lazerle işlenmiş "siyah metal" sayesinde mümkün oldu.
Güneş termoelektrik jeneratörlerinde (STEG'ler) kullanılan bu özel malzeme, ısı enerjisini elektriğe dönüştüren katı haldeki elektronik cihazlardır. STEG'ler, bir sıcak ve bir soğuk taraf arasına yerleştirilmiş yarı iletken malzemelerden oluşur. Sıcak taraf ısındığında, yarı iletken malzeme içindeki elektronların hareketi bir elektrik akımı oluşturur.
Mevcut STEG'lerin en büyük sorunu, ışığın %1'inden azını elektriğe dönüştürerek son derece verimsiz olmalarıdır. Bu durum, evlere takılan fotovoltaik güneş panellerinin aldığı ışığın yaklaşık %20'sini elektriğe dönüştürmesiyle kıyaslandığında oldukça düşüktür.
Ancak, 12 Ağustos'ta Light: Science and Applications dergisinde yayımlanan yeni bir çalışmada, araştırmacılar lazerle işlenmiş metalleri (koyu, mürekkep siyahı görünümleri nedeniyle "siyah metal" olarak da bilinir) kullanarak bir güneş termoelektrik jeneratörünün enerji verimliliğini 15 kat artırmayı başardı.
Lazer İşlemi Nasıl Çalışıyor?
Bu yöntemde, bir tungsten parçası son derece hızlı ve hassas lazer darbeleriyle taranarak yüzeyinde mikroskobik oluklar oluşturuluyor. Bu "nano ölçekli taramalar", tungsteni daha fazla termal radyasyonu emmesini ve bu enerjiyi daha uzun süre tutmasını sağlıyor. Lazer darbeleri ayrıca metalin yüzeyini tamamen siyaha çevirerek ısı emme kapasitesini artırıyor. Araştırmacılar daha sonra siyah tungsteni bir plastik parçasıyla kaplayarak daha fazla ısıyı hapseden bir "mini sera" oluşturdular.
STEG'nin soğuk tarafı için ise araştırmacılar, standart bir alüminyum parçası kullandılar ve bu parçayı da lazer darbeleriyle işlediler. Metaldeki küçük taramalar, ekibin tipik bir alüminyum soğutucudan iki kat daha verimli olduğunu iddia ettiği "süper yüksek kapasiteli mikro yapılı bir ısı dağıtıcı" oluşturdu.
Sistemi test etmek için araştırmacılar, simüle edilmiş güneş ışığı altında bir LED'i çalıştırmak için kullandılar. Normal güneş ışığından 10 kat daha güçlü ışığa maruz kaldığında bile tipik bir STEG, LED'i aydınlatamıyordu. Ancak her iki taraf da siyah metal kullanılarak işlendiğinde, cihaz normal güneş ışığından beş kat daha güçlü ışık altında LED'i tam parlaklıkta aydınlattı. Bu da güç çıkışında 15 kat bir artışa denk geliyor.
Bu teknoloji yakında güneş enerjisi çiftliklerinin yerini almasa da, araştırmacılara göre gelecekte düşük güçlü kablosuz Nesnelerin İnterneti (IoT) sensörleri veya giyilebilir cihazlar için kullanılabileceği ya da kırsal alanlarda şebekeden bağımsız yenilenebilir enerji sistemleri olarak hizmet verebileceği belirtildi.
Araştırmanın ortak yazarı, optik ve fizik profesörü ve Rochester Üniversitesi Lazer Enerjetikleri Laboratuvarı kıdemli bilim insanı Chunlei Guo, yaptığı açıklamada, "Onlarca yıldır araştırma topluluğu, STEG'lerde kullanılan yarı iletken malzemeleri iyileştirmeye odaklandı ve genel verimlilikte mütevazı kazanımlar elde etti. Bu çalışmada, yarı iletken malzemelere hiç dokunmadık; bunun yerine cihazın sıcak ve soğuk taraflarına odaklandık. Sıcak tarafta daha iyi güneş enerjisi emilimi ve ısı tutmayı, soğuk tarafta ise daha iyi ısı dağıtımı ile birleştirerek verimlilikte şaşırtıcı bir iyileşme sağladık" dedi.
