Seuraavan sukupolven termoelektroniikka vapauttaa 15‑kertaisen lisäyksen aurinkoenergiassa

Uusiutuva energia tulee luonnonvaroista ja uusiutuu, mikä voi auttaa vähentämään riippuvuuttamme fossiilisista polttoaineista, torjumaan ilmastonmuutosta ja täyttämään kestävän energiatulevaisuuden tarpeemme.

Nämä runsaat, luonnollisesti uusiutuvat energialähteet, joilla on vähäiset päästöt, sisältävät auringonvalon, tuulen, veden, biomassan ja geotermisen lämmön.

Näiden joukossa aurinkoenergia on ensisijainen uusiutuvan energian lähde. Auringon ollessa ääretön energian lähde, aurinkoenergia on ehtymätön, mikä tekee siitä saatavilla olevan runsaimman uusiutuvan energian lähteen.

Vuonna 2024 globaali aurinkoenergia saavutti ennätyskorkeuden, asennusten ylittäessä 600 GW:n, mikä on 33 % kasvu edellisvuoteen verrattuna, ja se kattaa 81 % kaikesta uudesta uusiutuvan energian kapasiteetista maailmanlaajuisesti. Tämän seurauksena aurinkoenergia muodosti noin 7 % maailmanlaajuisesta sähköntuotannosta, lähes kaksinkertaistaen osuutensa sähkösekoituksessa vain kolmessa vuodessa.

Kansainvälinen energiajärjestö (IEA) odottaa, että aurinkofotovoltaikka (PV) tulee vuonna 2029 suurimmaksi uusiutuvaksi energialähteeksi, hyötyen tukevista sääntelytoimista ja merkittävästä aurinkopaneeleista tuotetun sähkön kustannusten laskusta.

PV-kenno tai aurinkokenno on laite, joka muuntaa auringonvalon suoraan sähköenergiaksi. Jotkut kennot voivat jopa muuntaa keinotekoista valoa sähköksi. Kuitenkin ne eivät ole ongelmattomia. Yksi PV-kennon tärkeimmistä rajoitteista on sen lämpötila, joka vaikuttaa merkittävästi sen muuntotehokkuuteen.

Tässä kohtaa toinen laajasti käytetty teknologia, aurinko‑ termoelektriikka (TE), astuu kuvaan.

Auringon PV-kennojen ylittäminen aurinko‑ termoelektrisiin generaattoreihin (STEG:t)

Termoelektrinen generaattori (TEG) voi ratkaista PV-kennojen muuntotehokkuushaasteen muuntamalla hukkaan menevän lämmön sähköenergiaksi.

TEG:t tunnetaan korkeasta luotettavuudestaan, pitkästä käyttöiästään ja mekaanisten liikkuvien osien puutteesta, mikä tekee niistä käyttökelpoisen ja lupaavan vaihtoehdon PV-kennojen integrointiin korkean lämpötilan sovelluksissa.

Myös Seebeck-generaattorina kutsuttu termoelektrinen generaattori (TEG) on laite, joka muuntaa lämmön suoraan sähköksi Seebeck-ilmiön avulla.

Tässä ilmiössä kahden erilaista johtimen tai puolijohteen välinen lämpötilaero tuottaa jännitteen, jonka aiheuttaa varauksenkuljettajien liike.

Kun lämpöä kohdistetaan johdin- tai puolijohteeseen, elektronit siirtyvät kohti kylmempää päätä, luoden potentiaalieron. Jos ne on kytketty piirin kautta, tasavirta virtaa sen läpi.

Näin ollen Seebeck-ilmiön perusteella TE-materiaalit tuottavat jännitteen, kun ne altistetaan lämpötilaerolle päistään. Kun ne sijoitetaan aurinkoabsorberin ja lämmönhajottimen väliin lämpötilaeron luomiseksi ja energian tuottamiseksi, niitä kutsutaan aurinko‑ termoelektrisiksi generaattoreiksi (STEG:t).

Näiden STEG:ien lämmöstä sähköön tapahtuvan muuntotehokkuuden määräävät TE-materiaalin dimensioiton suorituskykyluku (ZT) sekä kuuman ja kylmän puolen välinen lämpötilaero laitteessa.

Tämän seurauksena STEG:ien aurinkoabsorberit omaavat paljon laajemman absorptiokaistan, mahdollistaen koko auringon spektrin fotonien energian hyödyntämisen, toisin kuin aurinko‑PV:t, jotka voivat käyttää vain kapeaa valon kaistaa lähellä puolijohteen energiarajaa. Kuitenkin niiden termoelektrinen hyötysuhde on erittäin alhainen.

Viimeisimmän tutkimuksen mukaan TE-materiaalin ZT-arvo pysyy edelleen noin yhden tasolla, vaikka vuosikymmenten laajaa tutkimusta on tehty. ZT on keskeinen mittari termoelektristen materiaalien suorituskyvyn arvioinnissa; korkeampi ZT-arvo osoittaa tehokkaamman termoelektrisen materiaalin, joka tuottaa sähköä annetusta lämpötilaerosta.

Korkean hyötysuhteen termoelektristen (TE) materiaalien ja kompaktien lämmönhajottimien puute rajoittaa STEG:ien kaupallista käyttöönottoa.

Näiden ongelmien ratkaisemiseksi tutkijaryhmä on kehittänyt strategian, joka voi kasvattaa STEG:n energiantuotantoa 15‑kertaisesti samalla kun paino kasvaa vain 25 %.

STEG:n tehokkuushaasteet: Tarve paremmille absorbereille & lämmönhajottimille

Maailman energiatarpeet kasvavat nopeasti väestön ja talouskasvun johdosta.

IEAn mukaan maailmanlaajuinen sähkön kysyntä kasvoi 4,3 % vuonna 2024, mikä on suuri hyppy 2,3 %:n kasvusta vuonna 2023.

Joten tulevaisuudessa maailma tarvitsee yhä kasvavaa energian tarjontaa, mutta vielä tärkeämpää on puhdasta energiaa ilmastonmuutoksen torjumiseksi, kasvihuonekaasupäästöjen (GHG) vähentämiseksi ja energian omavaraisuuden saavuttamiseksi.

Tässä kestävän puhtaan energian etsinnässä tutkijat ovat kääntyneet aurinko‑ termoelektristen generaattoreiden (STEG) puoleen lupaavana aurinkoenergian tuotantolähteenä, koska ne voivat hyödyntää paitsi auringonvaloa myös muita lämpöenergian muotoja.

Tällä hetkellä suurin osa STEG:eista muuntaa alle 1 % auringonvalosta sähköksi, kun taas asuinrakennusten aurinkopaneelijärjestelmät pystyvät 15 %–20 % muuntotehokkuuteen.

Jotta voisimme todella hyödyntää näitä laitteita, meidän on ensin voitettava niiden tehokkuusrajoitukset.

Tarvitsemme uusia tapoja parantaa STEG:n energiantuotantoa. Aurinko‑ termoelektriset generaattorit tuottavat enemmän energiaa suuremmilla lämpötilaeroilla, ja tämä voidaan saavuttaa maksimoimalla aurinkoenergian absorptio ja minimoimalla lämmön häviö kuumalla puolella samalla kun lämpö hajoaa tehokkaasti kylmällä puolella.

Lisäksi STEG:t voivat osoittautua arvokkaiksi kannettavien elektroniikkalaitteiden, lääketieteellisten antureiden, langattomien anturiverkkojen ja ilmailulaitteiden virtalähteinä.

Kuitenkin nämä korkean tehopitoisuuden sovellukset vaativat kevyitä valikoivia aurinkoabsorbereita (SSA) kuumalle puolelle ja lämmönhajottimia kylmälle puolelle. Jotta aurinkoenergia saataisiin hyödynnettyä maksimaalisesti, absorberin (SSA) on oltava erittäin optisesti absorboiva aurinkospektrin alueella (300–2500 nm) ja samalla säilytettävä alhainen emissiivisyys IR-alueella (2,5–20 μm) säteilyn häviön minimoimiseksi.

Absorberien optista suorituskykyä voidaan optimoida rakenteellisen suunnittelun ja materiaalivalinnan avulla.

Tähän sisältyvät plasmoniset absorberit, kaksinkertaiset keramiikkakerrosabsorberit, monikerroksiset kalvabsorberit ja fotonikristalliabsorberit. Huolimatta kaikista näistä edistysaskeleista, suurin osa absorberista vaatii monimutkaista laitteistoa ja aikaa vieviä valmistusprosesseja, mikä rajoittaa niiden skaalautumista kohtuullisin kustannuksin.

Lisäksi STEG:n lähtötehon kasvattaminen vaatii usein massiivisia ja monimutkaisia jäähdytysjärjestelmiä kylmän puolen lämpötilan alentamiseksi ja lämpötilaeron kasvattamiseksi, mikä luo vielä yhden haasteen.

Swipe to scroll →

Musta metalli -tekniikka ja femtosekuntilasereet: Pelin muuttava strategia

STE G -ongelmien voittamiseksi Rochesterin yliopiston Optiikan instituutin tutkijat ovat kehittäneet spektrin suunnittelun ja lämmönhallinnan strategian, joka vähensi painoa ja lisäsi energiantuotantoa.

Uudet tekniikat tämän tehokkaamman STEG‑laitteen luomiseksi on kuvattu tutkimuksessa, joka on julkaistu Light: Science and Applications.

“Vuosikymmenten ajan tutkimusyhteisö on keskittynyt STEG:eissä käytettyjen puolijohdemateriaalien parantamiseen ja on saavuttanut vain maltillisia parannuksia kokonaishyötysuhteessa.”

– Chunlei Guo, optiikan ja fysiikan professori sekä vanhempi tutkija Rochesterin Laboratory for Laser Energetics -laboratoriossa.

Hän lisäsi:

“Tässä tutkimuksessa emme edes koske puolijohdemateriaaleihin – sen sijaan keskityimme laitteen kuumaan ja kylmään puoleen. Yhdistämällä paremman aurinkoenergian absorptio ja lämmön ansainta kuumalla puolella sekä paremman lämmönhajotuksen kylmällä puolella, saavutimme hämmästyttävän parannuksen hyötysuhteessa.”

Tässä avain oli erityinen musta metalli -tekniikka. Vuonna 2020 sama tiimi osoitti, että femtosekuntalaserin (fs) avulla, mikä auttoi heitä luoda upottamattomia metallirakenteita² muutama kuukausi aiemmin, he pystyivät myös kehittää erittäin tehokkaita aurinkovoimageneraattoreita³.

Silloin he muunsivat kiiltävän, erittäin heijastavan metallipinnan täysin mustaksi, kutsuen sitä mustaksi metalliteknologiaksi. Femtosekuntalaserpulsseilla he voivat muuttaa lähes minkä tahansa metallin täysin mustaksi.

Tiimi kokeili kuparia, terästä, alumiinia ja volframia. Nanomittakaavan rakenteiden käsittelyn jälkeen he havaitsivat, että volframilla oli korkein aurinkoabsorptiohyötysuhde. He pystyivät parantamaan termoelektrisen tuotannon hyötysuhdetta 130 % käsittelemättömään volframiin verrattuna, jota käytetään yleisesti lämpöaurinkoabsorberina.

Rakentaen tätä, tällä kertaa tutkijat muuntivat tavallisen volframin (W) kuumalla puolella absorberiksi (W-SSA) fs-laserkäsittelymenetelmällä.

Volframi muutettiin ‘mustaksi metalliksi’ kääntämällä sen pinta täysin mustaksi, mikä teki siitä erittäin tehokkaan valon valikoivassa absorptiosta auringon aallonpituuksilla samalla kun se vähensi lämmönhajontaa muilla aallonpituuksilla.

Tämä saavutettiin erittäin nopealla ja tarkalla etsausmenetelmällä, käyttäen voimakkaita fs-laserpulsseja, jotka loivat nanomittakaavan rakenteita metallin pinnalle. Näin ollen sen sijaan, että muokattaisiin itse puolijohdemateriaaleja, tiimi paransi kuuman puolen kykyä absorboida auringonvaloa ja säilyttää lämpöä.

Volframin valikoivalle aurinkoabsorberille (W-SSA) on myös luotu kasvihuonekamari konvektiotappioiden vähentämiseksi.

Pienen kasvihuoneen luomiseksi, kuten maatilalla, musta metalli peitettiin muovilevyllä. \”Voitte minimoida konvektion ja johtumisen ansaitaksenne enemmän lämpöä, nostamalla kuuman puolen lämpötilaa,\” sanoi Guo. Tiimi onnistui vähentämään lämmönhukkaa yli 40 %.

Sillä välin kylmällä puolella samaa laseritekniikkaa käytettiin tavallisen alumiinin (Al) muuntamiseen megakapasiteettiseksi lämmönhajottimeksi pienillä rakenteilla. Tämä loi lämmönlevittimen, joka paransi lämmön hajoamista säteilyn sekä konvektion kautta.

Käsitellyn alumiinin jäähdytysteho oli kaksinkertainen tavalliseen Al‑lämmönhajottimeen verrattuna.

Kaikessa tässä, kuten näimme, fs-laserkäsittelytekniikka näyttelee keskeistä roolia. Merkittävää on, että tekniikka vaatii vain yhden vaiheen ja on skaalautuva. Tämä yksinkertainen subtraktiivinen menetelmä voidaan myös soveltaa erilaisiin materiaaleihin monimutkaisella geometriassa, kuten polymeerit, lasi, dielektrit, puolijohteet ja metallit.

Koska se on puhtaasti fysikaalinen lähestymistapa, se on myös ympäristöystävällisempi kuin muut menetelmät.

Femtosekuntilaseri (yksi kvadriljonas sekunnista) tuotti joukon mikrorakenteita alumiinille ja nanorakenteita volframille.

Sitten näiden rakenteiden koon ja tiheyden optimointi mahdollisti tutkijoille parantaa volframin (W) aurinkoabsorptiota samalla kun sen IR-emissiivisyys kuumalla puolella minimoitiin. He saavuttivat yli 80 % absorptiohyötysuhteen kohotetuissa lämpötiloissa.

Kylmällä puolella he lisäsivät alumiinin IR-emissiivisyyttä koko mustan kappaleen säteilyspektrin alueella ja sen pinta-alaa lämmönhajontaa varten. Tämä paransi merkittävästi aurinko‑lämpömuunnoksen hyötysuhdetta.

Tiimi osoitti, miten heidän aurinko‑termoelektrinen generaattorinsa (STEG) voidaan käyttää LEDien virtalähteenä huomattavasti tehokkaammin kuin nykyiset menetelmät.

Gao totesi, että teknologiaa voitaisiin käyttää myös mikroelektronisten laitteiden, kuten kannettavien, älylaitteiden ja IoT‑verkoston autonomisten antureiden, virtalähteenä. Lisäksi se voi toimia off‑grid‑uusiutuvan energian järjestelmänä syrjäisillä ja maaseutualueilla.

Kuten tutkimuksessa todettiin, STEG:eitä voidaan käyttää myös yhdessä kehittyneiden aurinkoenergialaitteiden, kuten spektrin jakautumisen hybrid PV-TE -järjestelmien ja edullisten väriaineherkistysten aurinkokennojen (DSC), kanssa, jotka voivat tuottaa energiaa heikossa valossa, parantaen näin energian tuotantoa suurta tehoa vaativissa sovelluksissa.

Sijoittaminen aurinkoenergiaan

Uusiutuvan energian alalla Nextracker Inc. (NXT ) erottuu korkeakasvuisena yrityksenä.

Markkina-arvolla 10 miljardia dollaria NXT‑osakkeet käyvät tällä hetkellä 67,59 dollaria, mikä on 85 % nousu tänä vuonna. Vain viime viikolla yhtiön osakkeet saavuttivat uuden huipun noin 69 dollaria. Tämän myötä sen EPS (TTM) on 3,67 ja P/E (TTM) on 18,42. Osinkotuottoa ei kuitenkaan ole.

Nextracker Inc. (NXT )

Nextracker on aurinkoenergia‑teknologia-alustan tarjoaja, joka tarjoaa sähköratkaisuja, integroidut seurantalaitteet sekä tuoton optimointi‑ ja ohjausjärjestelmät. Yhtiön edistynyt teknologia mahdollistaa aurinkovoimalaitosten seurata auringon liikettä taivaalla ja optimoida suorituskykyä.

Sen tuotteet ja palvelut sisältävät NX Foundation, NX Horizon, NX Navigator, NX Global, PowerworX, TrueCapture sekä Services Electrical Balance of System (eBOS).

Tässä kuussa Nextracker julkaisi kestävän kehityksen raporttinsa, jossa se ilmoitti saavuttaneensa kokonaisraportoitunujen onnettomuuksien (TRIR) tason 0,61, ylittäen Yhdysvaltain turvallisuustavoitteen 1,2.

Nextracker esitteli NX Foundation Solutions -ratkaisun aurinkoinstallaatioiden parantamiseksi kaikilla maaperätyypeillä. NX Horizon -matala‑hiilidioksidipäästöjä (seurantaan liittyvät) vähentävät LCT‑järjestelmät on myös julkaistu, mikä voi vähentää hiilidioksidipäästöjä jopa 35 %.

Ilmastonmuutoksen aiheuttamien kasvihuonekaasupäästöjen (GHG) ja resurssitehokkuuden osalta yhtiö on sitoutunut asettamaan tavoitteita maailmanlaajuisesti tunnustetun viitekehyksen (SBTi) mukaisesti, julkaissut ensimmäisen Task Force Climate Financial Disclosure (TCFD) -indeksinsä, saanut kolmannen osapuolen varmennuksen Scope 1‑ ja Scope 2‑GHG‑päästötiedoilleen, ja ansainnut ISO 14001:2015 -sertifikaatin ympäristöjohtamisjärjestelmästä Yhdysvalloissa.

ISO 9001 -sertifikaatti on myös saavutettu laadunhallinnassa Yhdysvalloissa, Intiassa ja Brasiliassa.

Tämän keskellä Nextracker valittiin äskettäin yhden Etelä-Amerikan suurimman uusiutuvan energian yrityksen toimesta. Casa dos Ventos valitsi sen toimittamaan 1,5 GW:n aurinkoseurantajärjestelmiä neljälle uudelle projektilleen Brasiliassa. Näihin sisältyvät aurinko‑ sekä aurinko‑ja‑tuulihybridiprojektit.

“Moniprojektisen sitoumuksen varmistaminen uusiutuvan energian johtajalta, kuten Casa dos Ventos, heijastaa kasvavaa merkitystä luotettaville kumppanuuksille, kun kyse on suorituskyvystä ja pitkäaikaisesta luotettavuudesta nykypäivän aurinkoalalla.”

– Alejo Lopez, varapuheenjohtaja, Nextracker Latin America

Nextracker on myös tehnyt yhteistyötä UC Berkeleyn kanssa uuden tutkimuskeskuksen (CAL‑NEXT Center for Solar Energy Research) perustamiseksi edistääkseen aurinkovoimalaitosten teknologiaa tulevaisuuden energiatarpeiden tukemiseksi. Yhtiö antoi hankkeelle 6,5 miljoonaa dollaria.

Yrityksen taloustietojen osalta viime kuussa se raportoi tilikauden 2026 ensimmäisen neljänneksen, joka päättyi 27. kesäkuuta 2025. Tässä ajanjaksossa se kirjasi 864 miljoonaa dollaria liikevaihtoa, 20 % kasvu vuosi‑vuodelta.

GAAP‑bruttokate nousi 19 % vuosi‑vuodelta 282 miljoonaan dollariin, kun taas GAAP‑liiketoiminnan tulos kasvoi 16 % 186 miljoonaan dollariin. Säädetty bruttokate nousi 18 % 285 miljoonaan dollariin, ja säädetty EBITDA nousi 23 % 215 miljoonaan dollariin. Nextrackerin kokonaisjono tälle ajanjaksolle ylitti 4,75 miljardia dollaria.

Se raportoi myös 81 miljoonan dollarin operatiivisen kassavirran ja 743 miljoonan dollarin käteisvarat neljänneksen lopussa, ilman velkaa. Tänä neljänneksenä yhtiö investoi 86,8 miljoonaa dollaria strategisiin yritysostoihin tukemaan uusia kasvuhankkeita.

“Nextracker toimitti jälleen vahvan neljänneksen kaikissa keskeisissä taloudellisissa mittareissa ja havaitsi jatkuvaa markkinaosuuskasvua.”

– Perustaja ja toimitusjohtaja Dan Shugar

Vain viime kuussa Nextracker ilmoitti AI‑ ja robotiikkaliiketoimintansa käynnistämisestä. “Aurinkovoiman skaalaaminen globaalin energiatarpeen täyttämiseksi vaatii uutta autonomian tasoa siinä, miten rakennamme ja operoimme voimalaitoksia,” sanoi juuri nimetty tekoäly‑ ja robotiikka‑johtaja, tohtori Francesco Borrelli.

Tämä tapahtui yli 40 miljoonan dollarin investoinnin jälkeen yritysostoihin, joiden tarkoituksena on parantaa aurinkovoimalaitosten käyttöönottoa, luotettavuutta ja pitkän aikavälin sijoitetun pääoman tuottoa. Näihin kuuluvat OnSight Technology autonomisia kartoitus‑ ja palovaroitusjärjestelmiä varten, SenseHawk IP korkean tarkkuuden 3D‑as‑built‑karttojen luomiseksi aurinkoprojektien kohteisiin, sekä Amir Robotics maaperään liittyvän satohäviön vähentämiseksi.

Shugarin mukaan:

“Miljoonien anturien ja ohjaussolmujen jo käyttöönoton myötä, jotka kattavat noin 100 GW:n toimivia järjestelmiä 40 maassa, Nextrackerilla on ainutlaatuinen mahdollisuus hyödyntää tekoälyä ja robotiikkaa mittakaavassa.”

Uusimmat Nextracker Inc. (NXT) -osaketuotteiden uutiset ja kehitykset

Yhteenveto

Aurinkoenergia on yksi lupaavimmista ja puhtaimmista tavoista energisoida maailma. Jo nyt aurinko‑PV:n käyttöönotto kasvaa nopeasti, mutta tietysti uusiutuvan energian polku ei perustu pelkästään yhteen teknologiaan.

Hybridijärjestelmät, jotka yhdistävät fotovoltaikkaa, termoelektriikkaa ja kehittyneitä nanomateriaaleja, ovat avain aurinkoenergian tulevaisuudessa.

Vaikka materiaalien tehottomuus rajoitti aiemmin aurinko‑termoelektristä teknologiaa, se rikkoo nyt esteitä uusien lämmönhallinta‑ ja nanorakenteistamistekniikoiden avulla. Viimeisin läpimurto STEG:eissa osoittaa, että innovaatiot materiaalitasolla ja rakenteellisella tasolla, ei pelkästään puolijohteiden suorituskyvyssä, voivat avata vaikuttavia hyötysuhdeparannuksia ja auttaa vastaamaan kasvaviin energiatarpeisiin.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon parhaista uusiutuvan energian osakkeista.

Lähteet:

1. Xu, T., Wei, R., Singh, S.C., et al. 15‑kertainen kasvu aurinko‑termoelektrisen generaattorin suorituskyvyssä femtosekuntilaserväri‑spektroskopian ja lämmönhallinnan avulla. Light: Science & Applications, 14, 268, published 12 elokuu 2025. https://doi.org/10.1038/s41377-025-01916-9
2. Zhan, Z., ElKabbash, M., Cheng, J., Zhang, J., Singh, S., & Guo, C. Erittäin kelluva superhydrofobinen metallirakenne vesisovelluksiin. ACS Applied Materials & Interfaces, 11(51), 48512–48517, published 26 joulukuu 2019. https://doi.org/10.1021/acsami.9b15540
3. Jalil, S.A., Lai, B., ElKabbash, M., et al. Spektrin absorptiokontrolli femtosekuntilaservälitteisillä metalleilla ja sovellus aurinko‑lämpölaitteissa. Light: Science & Applications, 9, 14, published 4 helmikuu 2020. https://doi.org/10.1038/s41377-020-0242-y