संयुक्त राज्य अमेरिका में रोचेस्टर विश्वविद्यालय के प्रकाशिकी संस्थान ने हाल ही में घोषणा की है कि उसकी वैज्ञानिक अनुसंधान टीम ने संरचना और थर्मल प्रबंधन में नवीन डिजाइनों के माध्यम से सौर थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (एसटीईजी) की बिजली उत्पादन दक्षता को लगभग 15 गुना बढ़ा दिया है, जिससे सौर ऊर्जा उपयोग की इस दीर्घकालिक "कोई सुधार नहीं" पद्धति में व्यावहारिक आशा आई है। प्रासंगिक शोध "लाइट: साइंस एंड एप्लीकेशन" पत्रिका में प्रकाशित हुआ है, जिसमें दिखाया गया है कि डिवाइस के वजन को लगभग 25% बढ़ाकर आउटपुट प्रदर्शन में पर्याप्त सुधार हासिल किया जा सकता है।
घरेलू फोटोवोल्टिक पैनलों के विपरीत, जो फोटॉनों को सीधे विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं, सौर थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर बिजली उत्पन्न करने के लिए "गर्म और ठंडे सिरों" के बीच तापमान अंतर का उपयोग करते हैं। इसका मुख्य तंत्र अर्धचालक सामग्रियों में सीबेक प्रभाव है: जब डिवाइस के एक छोर को गर्म किया जाता है और दूसरे छोर को कम रखा जाता है, तो तापमान अंतर वाहक को दिशात्मक रूप से स्थानांतरित करने के लिए प्रेरित करेगा, जिससे विद्युत प्रवाह उत्पन्न होगा। हालाँकि, लंबे समय से, मौजूदा एसटीईजी की फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण दक्षता आम तौर पर 1% से कम रही है, जो घरेलू छत फोटोवोल्टिक के लिए लगभग 20% की सामान्य दक्षता से बहुत कम है। यह विशाल अंतर व्यावहारिक अनुप्रयोगों में प्रतिस्पर्धा करना कठिन बना देता है।
रोचेस्टर विश्वविद्यालय की टीम ने बताया कि अतीत में, वैज्ञानिक अनुसंधान समुदाय मुख्य रूप से डिवाइस के बीच में अर्धचालक सामग्री को बेहतर बनाने पर ध्यान केंद्रित करता था। हालाँकि कुछ प्रगति हुई है, समग्र दक्षता में सुधार बहुत सीमित है। अनुसंधान के नेता और प्रकाशिकी और भौतिकी के प्रोफेसर गुओ चुनलेई ने कहा कि यह काम मुश्किल से अर्धचालक शरीर को छूता है, लेकिन "गर्म अंत" और "ठंडा अंत" पक्षों पर ध्यान केंद्रित करता है। गर्मी अवशोषण और इन्सुलेशन को मजबूत करके, और गर्मी अपव्यय को मजबूत करके, तापमान अंतर को दोगुना कर दिया गया, जिससे "आश्चर्यजनक" दक्षता में सुधार हुआ।
"हॉट एंड" पर, शोधकर्ताओं ने सामान्य टंगस्टन सामग्री पर सतह सूक्ष्म-नैनो संरचनाओं को संसाधित करने के लिए उन्हें एक चयनात्मक सौर अवशोषक (डब्ल्यू-एसएसए) में तैयार करने के लिए फेमटोसेकंड लेजर का उपयोग किया। यह संशोधित काली धातु की सतह उच्च तापमान पर 80% से अधिक आपतित सूर्य के प्रकाश को अवशोषित कर सकती है, जबकि अवरक्त विकिरण के नुकसान को कम करती है, जिससे सिस्टम में अवशोषित ऊर्जा को यथासंभव बनाए रखा जा सकता है। वायु संवहन के माध्यम से गर्मी के नुकसान को और अधिक रोकने के लिए, टीम ने अवशोषक को एक छोटी प्लास्टिक गुहा में बंद कर दिया, जिससे यह "लघु ग्रीनहाउस" के समान हो गया। ऐसा कहा जाता है कि यह संवहन के कारण होने वाली गर्मी की हानि को 40% से अधिक कम कर सकता है।
"कोल्ड एंड" पर, टीम ने एल्यूमीनियम पर माइक्रोस्ट्रक्चरल प्रसंस्करण करने के लिए फेमटोसेकंड लेजर का भी उपयोग किया और एक माइक्रोस्ट्रक्चर्ड हीट सिंक (μ-डिसिपेटर) बनाया, जिसने डिवाइस की गर्मी अपव्यय क्षमता में काफी सुधार किया। सतह संरचना के अनुकूलन के लिए धन्यवाद, इस गर्मी अपव्यय परत को विकिरण और संवहन गर्मी अपव्यय दोनों आयामों में बढ़ाया गया है। इसका व्यापक ताप अपव्यय प्रदर्शन सामान्य एल्यूमीनियम हीट सिंक की तुलना में लगभग दोगुना है, जिससे ठंडे सिरे को कम तापमान बनाए रखने की अनुमति मिलती है।
गर्म सिरे को गर्म और ठंडे सिरे को ठंडा बनाने से, पूरे सौर थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर के दोनों सिरों के बीच तापमान का अंतर काफी बढ़ जाता है, और बिजली उत्पादन उत्पादन में काफी वृद्धि होती है। प्रायोगिक प्रदर्शनों से पता चलता है कि बेहतर एसटीईजी एलईडी को अधिक कुशलता से प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए चलाने के लिए पर्याप्त है। पिछले उपकरणों की तुलना में, प्रकाश स्रोत की चमक और स्थिरता में काफी सुधार हुआ है, जो डिजाइन विचार की व्यवहार्यता की पुष्टि करता है।
गुओ चुनलेई ने कहा कि व्यावहारिक अनुप्रयोगों में इस तकनीक की क्षमता फोटोवोल्टिक बिजली उत्पादन के हिस्से को बदलने से कहीं आगे तक जाती है। भविष्य में, वायरलेस सेंसर नेटवर्क, पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और कुछ मेडिकल सेंसर के लिए दीर्घकालिक, कम रखरखाव वाली बिजली आपूर्ति समाधान प्रदान करने की उम्मीद है, विशेष रूप से उन परिदृश्यों के लिए उपयुक्त, जिनके लिए माइक्रोवाट से मिलीवाट तक निरंतर बिजली आपूर्ति की आवश्यकता होती है। पेपर में यह भी उल्लेख किया गया है कि इस तरह की प्रणालियों से दूरदराज और ग्रामीण क्षेत्रों में भूमिका निभाने की उम्मीद की जाती है, जो बड़े फोटोवोल्टिक सरणी या जटिल ऊर्जा भंडारण प्रणालियों पर भरोसा किए बिना स्थिर बिजली ग्रिड की कमी वाले क्षेत्रों के लिए नवीकरणीय ऊर्जा विकल्प प्रदान करते हैं।
इसके बावजूद, अनुसंधान टीम ने इस बात पर भी जोर दिया कि वर्तमान उन्नत सौर थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की समग्र दक्षता अभी भी पारंपरिक क्रिस्टलीय सिलिकॉन या पतली फिल्म सौर कोशिकाओं की तुलना में कम है, और इसे अल्पावधि में प्रतिस्थापित नहीं किया जा सकता है। हालाँकि, यह शोध एक महत्वपूर्ण दिशा दिखाता है: सेमीकंडक्टर सामग्री पर आँख बंद करके "टूथपेस्ट निचोड़ने" के बजाय, थर्मल प्रबंधन के आसपास इंजीनियरिंग को अनुकूलित करके, सौर ऊर्जा उपयोग दक्षता में भी काफी सुधार किया जा सकता है और सौर ऊर्जा प्रौद्योगिकी के लिए एक नया विकास पथ खोल सकता है।