Na busca pela independência energética, pesquisadores têm estudado geradores termoelétricos solares (STEGs) como uma fonte promissora de geração de eletricidade solar. Diferente das tecnologias fotovoltaicas atualmente utilizadas na maioria dos painéis solares, os STEGs podem aproveitar todos os tipos de energia térmica além da luz solar. Esses dispositivos simples possuem lados quente e frio, com materiais semicondutores entre eles, e a diferença de temperatura entre os lados gera eletricidade por meio de um fenômeno físico conhecido como efeito Seebeck.
No entanto, os STEGs atuais enfrentam grandes limitações de eficiência que impedem sua adoção mais ampla como uma forma prática de produção de energia. Atualmente, a maioria dos geradores termoelétricos solares converte menos de 1% da luz solar em eletricidade, em comparação com cerca de 20% dos sistemas de painéis solares residenciais.
Essa diferença de eficiência foi drasticamente reduzida por meio de novas técnicas desenvolvidas por pesquisadores do Instituto de Óptica da Universidade de Rochester. Em um estudo publicado na Light: Science and Applications, a equipe descreveu seus métodos únicos de engenharia espectral e gestão térmica para criar um dispositivo STEG que gera 15 vezes mais energia do que os dispositivos anteriores.
“Por décadas, a comunidade de pesquisa tem se concentrado na melhoria dos materiais semicondutores utilizados nos STEGs e fez progressos modestos na eficiência total,” diz Chunlei Guo, professor de óptica e física e cientista sênior no Laboratório de Energia a Laser de Rochester. “Neste estudo, não tocamos nos materiais semicondutores – ao invés disso, nos concentramos nos lados quente e frio do dispositivo. Ao combinar melhor absorção de energia solar e aprisionamento de calor no lado quente com melhor dissipação de calor no lado frio, conseguimos uma melhoria surpreendente na eficiência.”
Os novos STEGs de alta eficiência foram projetados com três estratégias. Primeiro, no lado quente do STEG, os pesquisadores usaram uma tecnologia especial de metal preto desenvolvida no laboratório de Guo para transformar tungsteno comum em um material que absorve seletivamente luz em comprimentos de onda solares. Utilizando pulsos de laser femtossegundo para gravar superfícies metálicas com estruturas em nanoscale, eles aumentaram a absorção de energia do material a partir da luz solar, ao mesmo tempo em que reduziram a dissipação de calor em outros comprimentos de onda.
Em segundo lugar, os pesquisadores “cobriram o metal preto com um pedaço de plástico para fazer uma mini estufa, assim como em uma fazenda”, diz Guo. “Você pode minimizar a convecção e a condução para aprisionar mais calor, aumentando a temperatura no lado quente.”
Por último, no lado frio do STEG, eles novamente usaram pulsos de laser femtossegundo, mas desta vez em alumínio comum, para criar um dissipador de calor com estruturas minúsculas que melhoraram a dissipação de calor por meio de radiação e convecção. Esse processo dobra o desempenho de resfriamento de um dissipador de calor de alumínio típico.
No estudo, Guo e sua equipe de pesquisa forneceram uma demonstração simples de como seus STEGs podem ser usados para alimentar LEDs de maneira muito mais eficaz do que os métodos atuais. Guo afirma que a tecnologia também poderia ser utilizada para alimentar sensores sem fio para a Internet das Coisas, dispositivos vestíveis ou servir como sistemas de energia renovável off-grid em áreas rurais.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation, FuzeHub e pelo Goergen Institute for Data Science and Artificial Intelligence.
