Khác với các tấm pin mặt trời truyền thống chỉ sử dụng ánh sáng mặt trời trực tiếp, máy phát điện STEG có khả năng tận dụng cả nhiệt độ. Thiết bị này hoạt động dựa trên sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt: một mặt nóng và một mặt lạnh, với vật liệu bán dẫn ở giữa.

Sự chênh lệch nói trên tạo ra điện năng thông qua hiệu ứng Seebeck - hiện tượng chuyển đổi trực tiếp chênh lệch nhiệt độ thành hiệu điện thế (điện năng). Tuy nhiên, hiệu suất của các hệ thống STEG hiện tại vẫn còn thấp, với khả năng chuyển đổi chưa đến 1% ánh sáng mặt trời thành điện năng, trong khi các tấm pin mặt trời thông thường có thể đạt khoảng 20%.

Các nhà nghiên cứu tại Viện Quang học thuộc Đại học Rochester (Mỹ) đã phát triển một phương pháp mới nhằm nâng cao hiệu suất của STEG. Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Light: Science & Applications, nhóm nghiên cứu đã mô tả các cải tiến giúp tăng khả năng tạo điện lên gấp 15 lần so với các thiết kế trước đó, trong khi trọng lượng thiết bị chỉ tăng 25%.

Giáo sư Chunlei Guo, một trong những tác giả nghiên cứu, cho biết: “Trong nhiều thập kỷ qua, cộng đồng nghiên cứu đã tập trung vào việc cải thiện vật liệu bán dẫn cho STEG nhưng chỉ đạt được những tiến bộ khiêm tốn. Trong nghiên cứu này, chúng tôi không can thiệp vào vật liệu bán dẫn mà tập trung vào việc tối ưu hóa mặt nóng và mặt lạnh của thiết bị”.

Hướng sản xuất điện mặt trời khác biệt với truyền thống

Nhóm nghiên cứu đã cải thiện khả năng hấp thụ và giữ nhiệt ở mặt nóng, đồng thời tăng cường khả năng giải phóng nhiệt ở mặt lạnh. Họ sử dụng công nghệ xử lý laser femtosec để biến vonfram thành một chất hấp thụ năng lượng mặt trời chọn lọc, có khả năng hấp thụ hơn 80% ánh sáng mặt trời ở nhiệt độ cao và giảm thiểu bức xạ hồng ngoại. Để giữ nhiệt, chất hấp thụ được đặt trong một buồng nhựa nhỏ giúp giảm tổn thất nhiệt do đối lưu hơn 40%.

Ở mặt lạnh, nhóm nghiên cứu cũng áp dụng công nghệ laser để tạo ra bộ tản nhiệt vi cấu trúc giúp cải thiện khả năng làm mát thông qua bức xạ và đối lưu, từ đó tăng gấp đôi hiệu suất so với bộ tản nhiệt nhôm thông thường. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt của STEG được nâng cao, dẫn đến việc tăng lượng điện năng sản xuất.

Các thiết bị STEG cải tiến đã chứng minh khả năng cung cấp năng lượng cho đèn LED hiệu quả hơn nhiều so với các thiết bị hiện tại. Guo cũng nhấn mạnh rằng công nghệ này có thể được ứng dụng trong mạng cảm biến không dây, thiết bị điện tử đeo và cảm biến y tế, đồng thời có thể trở thành một lựa chọn năng lượng tái tạo cho các vùng nông thôn thiếu điện.

Mặc dù STEG vẫn chưa đạt hiệu suất cao như các tấm pin mặt trời, nghiên cứu này cho thấy việc tập trung vào quản lý nhiệt có thể tạo ra những bước tiến lớn trong việc thu thập và sử dụng năng lượng mặt trời trong tương lai.