Nästa generations termoelement låser upp 15‑faldig ökning av solenergiutbytet

Eftersom förnybar energi kommer från naturliga resurser och återuppladdas, kan den hjälpa till att minska vårt beroende av fossila bränslen, bekämpa klimatförändringarna och möta vårt behov av en hållbar energiframtid.

Dessa rikliga, naturligt återuppladdade energikällor med minimala utsläpp inkluderar solljus, vind, vatten, biomassa och geotermisk värme.

Bland dessa är solenergi den primära källan till förnybar energi. Med solen som en oändlig kraftkälla är solenergi outtömlig, vilket gör den till den mest tillgängliga förnybara energikällantillgängliga.

År 2024 nådde global solenergi en rekordhög nivå, med installationer som översteg 600 GW, en ökning på 33 % från föregående år, vilket utgjorde 81 % av all ny förnybar energikapacitet världen över. Som ett resultat stod solenergi för cirka 7 % av den globala elförsörjningen, nästan dubbelt så stor andel av elmixen på bara tre år.

Internationella energirådet (IEA) förväntar sig faktiskt att solceller (PV) ska bli den största förnybara energikällan till 2029, tack vare stödjande regleringspolitik och den kraftiga minskningen av kostnaden för el som genereras från solpaneler. bli den största förnybara energikällan

En PV-cell or en solcell är en enhet som omvandlar solljus direkt till elektrisk kraft. Vissa celler kan till och med omvandla artificiellt ljus till elektricitet. De är dock inte problemfria. En av de främsta begränsningarna för en PV-cell är dess temperatur, vilket påverkar dess omvandlingseffektivitet avsevärt. 

Detta är där en annan allmänt använd teknik, soltermolektrisk (TE), kommer in i bilden. 

Gå bortom solceller till soltermiska generatorer (STEGs)

En termoelementgenerator (TEG) kan lösa utmaningen med omvandlingseffektivitet i PV-celler genom att omvandla bortspilld värme till elektrisk energi.

TEG:er är kända för sin höga tillförlitlighet, långa livslängd och avsaknad av rörliga mekaniska delar, vilket gör dem till ett livskraftigt och lovande alternativ för integration med PV-celler i högtemperaturapplikationer.

Även kallad en Seebeck-generator, är en termoelementgenerator (TEG) en enhet som omvandlar värme direkt till elektricitet genom Seebeck-effekten.

I denna effekt genererar en temperaturdifferens mellan två olika ledare eller halvledare spänning, orsakad av rörelsen hos laddningsbärare. 

När värme appliceras på en av ledarna eller halvledarna, rör sig elektroner mot den kallare änden och skapar en potentialskillnad. Om den är ansluten via en krets flödar likströmmen genom den.

Alltså, baserat på Seebeck-effekten, genererar TE-material en spänning när de utsätts för en temperaturdifferens över sina ändar. När de placeras mellan en solabsorberare och en värmeavledare för att skapa en temperaturdifferens och generera kraft, kallas de för soltermolektriska generatorer (STEGs).

Den termiska‑till‑elektriska omvandlingseffektiviteten för dessa STEG:er bestäms av TE-materialets dimensionslösa meritvärde (ZT) och temperaturdifferensen mellan den varma och den kalla sidan av enheten. 

Som ett resultat har solabsorberare för STEG:er ett mycket bredare absorptionsband, vilket möjliggör utnyttjandet av fotonenergin i hela solspektrumet, till skillnad från solceller som bara kan använda ett smalt band av solljus nära halvledarens bandgap. Deras termoelementeffektivitet är dock mycket låg.

Enligt den senaste forskningen ligger ZT‑värdet för TE‑material fortfarande omkring ett, även efter årtionden av omfattande forskning. ZT är ett nyckeltal för att utvärdera prestandan hos termoelementmaterial, där ett högre ZT‑värde indikerar ett mer effektivt material för att generera elektricitet från en given temperaturdifferens.

Bristen på högpresterande termoelement (TE)-material och kompakta kylflänsar för värmeavledning begränsar den kommersiella antagandet av STEG:er.

För att lösa dessa problem har ett forskarteam utvecklat en strategi som kan öka kraftgenereringen i STEG med 15 gånger samtidigt som vikten bara ökas med 25 %.

STEG-effektivitetsutmaningar: Behovet av bättre absorberare och värmeavledare

Det globala energibehovet ökar snabbt, drivet av befolknings- och ekonomisk tillväxt. 

Enligt IEA ökade den globala efterfrågan på elektricitet med 4,3 % år 2024, ett stort hopp från ökningen på 2,3 % år 2023.

Alltså, framöver kommer världen att behöva en ständigt ökande energitillförsel, men viktigare, ren energi för att bekämpa klimatförändringarna, minska växthusgasutsläppen (GHG) och uppnå energisjälvständighet.

I detta sökande efter hållbar ren energi har forskare vänt sig till soltermolektriska generatorer (STEGs) som en lovande källa för solenergi, eftersom de kan utnyttja både solljus och andra former av termisk energi.

För närvarande omvandlar de flesta STEG:er mindre än 1 % av solljuset till elektricitet, medan bostads solpanelssystem kan nå en omvandlingseffektivitet på 15 % till 20 %.

Så, för att verkligen utnyttja dessa enheter måste vi först övervinna deras effektivitetsbegränsningar. 

Det vi behöver är att hitta nya sätt att förbättra STEG:s kraftgenerering. Soltermolektriska generatorer producerar mer kraft vid högre temperaturdifferenser, och det kan uppnås genom att maximera solenergiabsorptionen och minimera värmeförluster på den varma sidan samtidigt som värmen effektivt avleds på den kalla sidan.

Dessutom, STEG:er kan visa sig värdefulla i att driva bärbar elektronik, medicinska sensorer, trådlösa sensornätverk och avioniska enheter.

Dock dessa högkrafttäthetsapplikationer kräver lätta selektiva solabsorberare (SSAs) för den varma sidan och värmeavledare för den kalla sidan. För att utnyttja den maximala mängden solenergi, måste absorberaren (SSA) ha hög optisk absorption i solspektralområdet (300–2500 nm) samtidigt som den behåller låg emissivitet i IR (2,5–20 μm) för att minimera strålningsförluster. 

Den optiska prestandan hos absorberare kan optimeras genom strukturell design och materialval.

Detta inkluderar plasmoniska absorberare, dubbel keramisk lager absorberare, flerlagersfilmabsorberare, och fotonisk kristallabsorberare. Trots alla dessa framsteg, kräver de flesta absorberare komplex utrustning och tidskrävande tillverkningsprocesser, vilket begränsar deras skalning till en överkomlig kostnad. 

Dessutom kräver ökad uteffekt för STEG ofta skrymmande och komplexa kylsystem för att sänka den kalla sidans temperatur och öka temperaturdifferensen, vilket utgör ytterligare en utmaning.

Swipe to scroll →

Svart metallteknik och femtosekundlaser: En spelväxlande strategi

För att övervinna STEG-problem har forskarna från University of Rochester’s Institute of Optics utvecklat en strategi för spektral ingenjörskonst och värmehantering som minskade vikten och ökade kraftproduktionen.

Nya tekniker för att skapa denna kraftfullare STEG-enhet är beskrivna i en studie¹ publicerad i Light: Science and Applications.

“I årtionden har forskarsamhället fokuserat på att förbättra de halvledarmaterial som används i STEG:er och har gjort blygsamma framsteg i den totala effektiviteten.”

– Chunlei Guo, professor i optik och fysik samt seniorforskare vid Rochester’s Laboratory for Laser Energetics.

Han tillade:

“I den här studien rör vi inte ens vid halvledarmaterialen—istället fokuserade vi på den varma och den kalla sidan av enheten. Genom att kombinera bättre solenergiabsorption och värmefångst på den varma sidan med bättre värmeavledning på den kalla sidan, uppnådde vi en förbluffande förbättring av effektiviteten.”

Nyckeln här var den speciella svarta metallteknologin. Redan 2020 visade samma team att genom att använda en femtosekund (fs) laser, som hjälpte dem skapa osänkbara metallstrukturer² några månader tidigare, kunde de också utveckla högpresterande solkraftgeneratorer³.

Vid den tiden förvandlade de den glänsande, starkt reflekterande ytan på ett metall till kolsvart, kallade det svart metallteknik. Med femtosekundlaserpulser kan de göra nästan alla metaller kolsvarta.

Teamet experimenterade med koppar, stål, aluminium och volfram. Efter behandling med nanoskaliga strukturer fann de att volfram hade den högsta solabsorptionseffektiviteten. De kunde förbättra termoelementproduktionen med 130 % jämfört med obehandlad volfram, som vanligtvis används som en termisk solabsorberare.

Så, med detta som grund, förvandlade forskarna den här gången en vanlig volfram (W) på den varma sidan till en absorberare (W-SSA) genom fs‑laserbearbetningstekniken.

Volframen förvandlades till ‘svart metall’ genom att göra dess yta kolsvart, vilket gjorde den mycket effektiv för selektiv absorption av ljus vid solvåglängder samtidigt som värmeavledning vid andra våglängder minskades.

Detta uppnåddes genom ultrahurtig och precisionsgrävning med kraftfulla fs‑laserpulser, vilka skapade nanoskaliga strukturer på metallens yta. Så, istället för att modifiera halvledarmaterialen själva, förbättrade teamet hur den varma sidan absorberar solljus och behåller värme.

En växthuskammare för selektiva volfram solabsorberare (W-SSA) har också skapats för att minska konvektiva förluster.

För att skapa ett mini‑växthus, liknande på en gård, täcktes den svarta metallen med en plastbit. “Du kan minimera konvektion och ledning för att fånga mer värme, vilket ökar temperaturen på den varma sidan,” sade Guo. Teamet kunde minska värmeförlusten med över 40%.

Samtidigt, på den kalla sidan, användes samma laserteknik för att omvandla vanlig aluminium (Al) till en mega‑kapacitetsvärmeavledare med små strukturer. Detta skapade en kylfläns för att förbättra värmeavledningen genom både strålning och konvektion. 

Kylprestandan för den behandlade aluminium var dubbelt så hög som för en vanlig Al värmeavledare.

I allt detta, som vi såg, spelade fs‑laserbearbetningstekniken en nyckelroll. Noterbart är att tekniken bara kräver ett steg och är skalbar. Denna enkla subtraktiva teknik kan också tillämpas på en rad material med komplex geometri, såsom polymer, glas, dielektrika, halvledare och metaller.

Eftersom det är en rent fysisk metod är den också mer miljövänlig än andra metoder. 

Femtosekundlasern (en kvadriljondel av en sekund) producerade en rad mikrostrukturer på aluminium och nanostrukturer på volfram.

Genom att optimera storlek och densitet på dessa strukturer kunde forskarna öka solabsorptionsförmågan hos W samtidigt som de minimerade dess IR‑emissivitet på den varma sidan. De uppnådde en absorptionsgrad på över 80 % vid förhöjda temperaturer.

På den kalla sidan ökade de IR‑emissiviteten över hela svartkroppsstrålningsspektrumet för aluminium och dess yta för värmeavledning. Detta förbättrade avsevärt sol‑till‑termisk omvandlingseffektivitet.

Teamet demonstrerade hur deras soltermolektriska generator (STEG) kan användas för att driva LED‑lampor mycket effektivare än befintliga metoder.

Tekniken, noterade Gao, kan också användas för att driva mikroelektroniska enheter som bärbara, smarta enheter och autonoma sensorer för Internet of Things (IoT). Dessutom kan den fungera som ett fristående förnybart energisystem i avlägsna och landsbygdsområden.

Som studien påpekade kan STEG:er också användas i kombination med avancerade solenergienheter, såsom spektralsplittrande hybrid PV‑TE-system och kostnadseffektiva färgsensitiva solceller (DSC), som kan generera kraft under svagt ljus, vilket förbättrar energiproduktionen för kraftkrävande tillämpningar.

Investera i solenergi

Inom förnybar energi, space, Nextracker Inc. (NXT ) utmärker sig för att vara ett högväxande företag.

Med ett marknadsvärde på 10 miljarder dollar, NXT-aktier handlas för närvarande till 67,59 $, upp 85 % i år hittills. Förra veckan nådde företagets aktier ett nytt högsta värde på cirka 69 $. Med detta är EPS (TTM) 3,67 och P/E (TTM) 18,42. Det finns dock ingen utdelningsavkastning.

Nextracker Inc. (NXT )

Nextracker är en leverantör av solteknikplattform som erbjuder elektriska lösningar, integrerade spårningssystem samt avkastningsoptimerings- och styrsystem. Företagets avancerade teknik gör det möjligt för solkraftverk att följa solens rörelse över himlen och optimera prestanda.

Dess produkter och tjänster inkluderar NX Foundation, NX Horizon, NX Navigator, NX Global, PowerworX, TrueCapture och Services Electrical Balance of System (eBOS).

Denna månad släppte Nextracker sin hållbarhetsrapport, där de noterade att de uppnått en Total Recordable Incident Rate (TRIR) på 0,61, vilket överstiger det amerikanska säkerhetsmålet på 1,2.

Nextracker introducerade NX Foundation Solutions för att förbättra solinstallationer på alla jordtyper. NX Horizon low‑carbon tracker (LCT)-system har också släppts för att minska koldioxidutsläppen (spårningsrelaterade) med så mycket som 35 %.

När det gäller växthusgasutsläpp och resurseffektivitet har företaget åtagit sig att sätta mål i enlighet med det globalt erkända ramverket (SBTi), publicerat sin första Task Force Climate Financial Disclosure (TCFD)-index, erhållit tredjepartsverifiering för sina Scope 1‑ och Scope 2‑GHG‑data, och erhållit ISO 14001:2015‑certifiering för miljöledningssystem i USA.

ISO 9001‑certifiering uppnåddes också för kvalitetsledning över verksamheter i USA, Indien och Brasilien. 

Mitt i detta valdes Nextracker nyligen av ett av de största förnybara energiföretagen i den sydamerikanska nationen. Casa dos Ventos valde dem för att leverera 1,5 GW av sina solspårningssystem för sina fyra nya projekt i Brasilien. Dessa inkluderar sol- och sol‑och‑vind‑hybridprojekt.

“Att säkra ett flerprojektssamarbete med en förnybar energiledare som Casa dos Ventos speglar den växande betydelsen av pålitliga partnerskap när det gäller prestanda och långsiktig pålitlighet i dagens solindustri.”

– Alejo Lopez, vice president, Nextracker Latin America

Nextracker har också samarbetat med UC Berkeley för att etablera ett nytt forskningscenter (CAL‑NEXT Center for Solar Energy Research) för att främja solkraftverksteknologi och stödja framtida energibehov. Företaget bidrog med 6,5 miljoner dollar till initiativet.

När det gäller företagets ekonomi rapporterade det i slutet av förra månaden första kvartalet av räkenskapsåret 2026, som avslutades den 27 juni 2025. Under denna period registrerades en omsättning på 864 miljoner dollar, en ökning med 20 % år‑till‑år.

GAAP-bruttovinst ökade med 19 % år‑till‑år till 282 miljoner dollar, medan GAAP-operativt resultat steg med 16 % år‑till‑år till 186 miljoner dollar. Justerad bruttovinst ökade med 18 % till 285 miljoner dollar, och justerad EBITDA ökade med 23 % till 215 miljoner dollar. Nextrackers totala orderstock för denna period översteg 4,75 miljarder dollar.

Det rapporterade också ett operativt kassaflöde på 81 miljoner dollar och 743 miljoner dollar i kontanter vid kvartalets slut, utan skulder. Under detta kvartal investerade företaget 86,8 miljoner dollar i strategiska förvärv för att stödja nya tillväxtinitiativ.

“Nextracker levererade ännu ett starkt kvartal på alla viktiga finansiella nyckeltal och såg fortsatt marknadsandelstillväxt.”

– Founder and CEO Dan Shugar

Förra månaden meddelade Nextracker lanseringen av sitt AI‑ och robotikinitiativ. “Att skala solenergi för att möta den globala energiefterfrågan kräver en ny nivå av autonomi i hur vi bygger och driver kraftverk,” sade den nyutnämnda chef för AI och robotik, Dr. Francesco Borrelli.

Detta kommer efter att ha investerat över 40 miljoner dollar i förvärv för att förbättra installation, tillförlitlighet och långsiktig avkastning för solkraftverk. Detta inkluderar OnSight Technology för autonoma undersökningar och brandvarningssystem, SenseHawk IP för att skapa högupplösta 3D‑kartor av solprojekt, och Amir Robotics för att minska jordrelaterade avkastningsförluster.

Enligt Shugar:

“Med miljontals sensorer och kontrollnoder redan distribuerade över cirka 100 GW av driftssystem i 40 länder, har Nextracker en unik möjlighet att utnyttja AI och robotik i stor skala.”

Senaste nyheter och utveckling för Nextracker Inc. (NXT)

Slutsats

Solenergi är ett av de mest lovande och renaste sätten att driva världen. Redan nu ökar antagandet av solceller i snabb takt, men naturligtvis kommer vägen till förnybar energi inte att vara beroende av en enda teknik.

Hybridsystem som kombinerar fotovoltaik, termoelement och avancerade nanomaterial kommer att vara nyckeln till framtiden för solenergi. 

Medan materialineffektivitet en gång begränsade soltermolektrisk teknik, bryter den nu barriärer genom nya värmehanterings- och nanostruktureringsmetoder. Det senaste genombrottet i STEG:er visar att innovation på material‑ och strukturell nivå, inte bara halvledarprestanda, kan låsa upp imponerande effektivitetsvinster och hjälpa till att möta det ökande energibehovet.

Klicka här för en lista över de bästa förnybara energiernas aktier.

Referenser:

1. Xu, T., Wei, R., Singh, S.C., et al. 15‑faldig ökning av soltermolektrisk generatorprestanda genom femtosekundlaser‑spektral ingenjörskonst och värmehantering. Light: Science & Applications, 14, 268, published 12 augusti 2025. https://doi.org/10.1038/s41377-025-01916-9
2. Zhan, Z., ElKabbash, M., Cheng, J., Zhang, J., Singh, S., & Guo, C. Mycket flytande superhydrofob metallisk sammansättning för vattenapplikationer. ACS Applied Materials & Interfaces, 11(51), 48512–48517, published 26 december 2019. https://doi.org/10.1021/acsami.9b15540
3. Jalil, S.A., Lai, B., ElKabbash, M., et al. Spektral absorptionskontroll av femtosekundlaser‑behandlade metaller och tillämpning i sol‑termiska enheter. Light: Science & Applications, 9, 14, published 4 februari 2020. https://doi.org/10.1038/s41377-020-0242-y