研究者たちは、太陽光発電の効率を大幅に高める方法を発見したところです。 STEGは太陽熱電発電機の略です。このデバイスは、2 つの異なる導体の温度差によって電圧が発生する、ゼーベック効果と呼ばれる単純な原理を使用して動作します。

ロチェスターの研究者ガンレイ・グオ氏は、数千のレーザーパルスでエッチングされた STEG 材料をテストするために人工太陽光を使用している J. Adam Fenster/ロチェスター大学

簡単に言うと、STEG は、一方の端が冷たくてもう一方の端が熱く、その間の半導体を通って電気が流れるデバイスです。 STEG は可動部品のないソリッドステート デバイスであり、ホットエンドは太陽エネルギーによって加熱される可能性がありますが、事実上あらゆるタイプの熱エネルギーを利用して高温を維持できます。

これはすべて受動的な発電の一形態のように聞こえますが、STEG は伝統的に太陽光の 1% 未満を電力に変換できました。比較すると、ペロブスカイト/シリコン太陽電池は 30% 以上のエネルギー変換率を達成しており、STEG が短期的にペロブスカイト/シリコン太陽電池に取って代わる合法的で広範なクリーン エネルギー源となる可能性は低いと思われます。

しかし、ロチェスター大学の研究者らによる新たな進歩により、その認識が変わりそうだ。 STEG の両側の材料を研究することにより、チームは太陽熱を電気に変換する効率を 15% に高めることができました。ジャーナル「Light: Science and Applications」に掲載されたこの研究は、その画期的な成果について説明しており、共著者のChunlei Guo氏は、これはこれまでの研究の焦点からの根本的な逸脱であると述べた。

「研究コミュニティは数十年にわたり、STEGで使用される半導体材料の改良に取り組んできており、全体的な効率においてある程度の進歩が見られました」と同氏は述べた。 「この研究では、半導体材料には触れませんでしたが、デバイスの高温側と低温側に焦点を当てました。高温側のより優れた太陽光吸収と熱捕捉特性を低温側のより優れた熱放散と組み合わせることで、驚くべき効率の向上を達成しました。」


チームはレーザー発振器を使用して光パルスを生成し、熱電発電機にナノ構造をエッチングします

この改善を達成するために、郭氏と彼のチームは、2020年に彼の研究室が発明したユニークなブラックメタルから始めました。金属を作成するには、最初にタングステンを使用し、次にフェムト秒レーザーパルス（金属の表面をエッチングする一連の超短光パルス）でサンドブラストしました。これにより、タングステンが熱を吸収しやすい黒色になるだけでなく、レーザーで作成されたディンプルの配置により、太陽光からより多くの熱を吸収し、その熱をより長く保持できるようになります。

次に、タングステン線をプラスチックで覆い、「農場にあるようなミニチュア温室を作ります」とGuo氏は説明する。これにより、熱がよりよく保持されます。

STEG の低温側では、チームはアルミニウムのシートに超高速レーザーを照射して、優れた熱放散特性を備えたヒートシンクを作成しました。実際、研究者らは、エッチングされたアルミニウムは通常のアルミニウムの 2 倍の熱を放散すると述べています。


エッチングされたタングステンの拡大図 J. Adam Fenster/ロチェスター大学

STEGがグリッド規模の電力を供給するまでにはしばらく時間がかかるかもしれないが、研究者らは、一連のLEDライトに電力を供給することで実証されたその画期的な成果は、モノのインターネットでの作業、ウェアラブルデバイスへの電力供給、地方の各家庭への電力供給など、より少ない電力を必要とする用途に使用できる可能性があると述べている。

出典: ロチェスター大学