Продлить свет: фотоэлемент зарядит «умные» гаджеты от лампочки
Ученые разработали фотоэлемент, преобразующий искусственный свет в электричество, и применили его для питания беспроводного датчика температуры и влажности. Устройство сделано из легкого, дешевого и эффективного полупроводника — перовскита. Потенциально оно сможет заменить обычные батарейки, которые вредны для окружающей среды из-за ртути, кадмия и других опасных веществ. Опрошенные «Известиями» эксперты отмечают, что в недалеком будущем многие носимые устройства и датчики интернета вещей станут полностью энергонезависимыми за счет оснащения такими фотоэлементами, а в целом работа открывает путь к созданию экологически чистых и самообеспечивающих энергией сенсорных сетей.
Как получить электричество из искусственного света
Исследователи из Сколковского института науки и технологий и национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» разработали фотоэлемент, преобразующий искусственный свет в электричество, для питания беспроводного датчика температуры и влажности. Он сделан из перовскита — легкого, тонкого, относительно дешевого материала, который используется для создания солнечных батарей.
Фото: Александра Болдырева Структура фотоэлемента, его вольт-амперные характеристики и схема химического осаждения полимера из газовой фазыПеровскит относится к титанату кальция, минералу найденному на Урале в середине XIX века. Свое название он получил в честь Льва Перовского, основателя Русского географического общества. Особенности этого минерала определяются его кристаллической структурой: кубом, где углы имеют положительный заряд, а грани — отрицательный. Сейчас термином «перовскиты» называют широкий класс неорганических и органических соединений, имеющих такую же кристаллическую структуру.
Как рассказали «Известиям» ученые, многие устройства, которые мы используем в повседневной жизни, могут работать без прямого участия человека. Например, умный увлажнитель воздуха включается, когда влажность в помещении падает, а кондиционер — поддерживает необходимую температуру. Однако для работы таких приборов необходимо большое количество сенсоров: в случае увлажнителя и кондиционера — датчики влажности и температуры соответственно.
Фото: Александра Болдырева Александра Болдырева — руководитель проекта, кандидат химических наук, научный сотрудник Центра энергетических технологий СколтехаОбычно для энергообеспечения таких датчиков используют обычные батарейки. Однако эти источники электрического тока вредны для окружающей среды: они содержат ртуть, свинец, кадмий и другие опасные вещества. При этом батарейки сложно перерабатывать и можно использовать только один раз, в отличие от аккумуляторов. Например, аккумуляторы смартфонов обычно выдерживают от 500 до 1000 циклов заряда, прежде чем их емкость падает. И у них есть существенный минус — их нужно регулярно заряжать. На замену батареек и подзарядку аккумуляторов тратится очень много ресурсов, особенно когда таких датчиков тысячи.
Фото: Александра Болдырева Владимир Парфенов, участник проекта, инженер, в центре коллективного пользования «Фаблаб и Мастерская» СколтехаЧтобы защитить устройство от влаги, химических веществ и других внешних воздействий и тем самым продлить его срок службы, ученые заключили разработанный фотоэлемент в оболочку из полимера, который устойчив к растворителям и кислотам, имеет высокую температуру плавления и не проводит электрический ток. При этом авторы доказали, что такой метод инкапсуляции продлевает срок жизни как минимум до 10 тыс. часов, что уже соизмеримо со временем работы одноразовых батареек в датчиках интернета вещей.
Фото: Александра Болдырева Ольга Парфенова — участник проекта, младший научный сотрудник СколтехаИспытания прототипа показали, что для бесперебойной работы до 87 часов фотоэлементу нужна освещенность помещения около 1000 люксов (лк). Обычно в офисных зданиях этот показатель, если его измерять у поверхности рабочего стола, составляет как раз 800–1000 лк. Чтобы устройство вообще не требовало подзарядки, нужно обеспечить 3000 лк или выше. Такая высокая освещенность в помещениях бывает рядом с работающим источником искусственного света, например офисных ламп, поэтому исследователи рекомендуют устанавливать датчик как можно ближе к нему.
Фото: Александра Болдырева Дмитрий Милютин — первый автор проекта, стажер-исследователь национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»— В этой работе мы продемонстрировали, что фотоэлементы на основе перовскита при надлежащей защите от внешней среды способны эффективно выполнять функцию зарядного устройства для беспроводных датчиков. Это открывает новые возможности для их применения, использования не только для преобразования солнечной энергии, но и искусственного освещения. В дальнейшем мы планируем разработать фотоэлемент, интегрированный с суперконденсатором в виде единого устройства, — рассказала руководитель проекта, научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха Александра Болдырева.
Перспективы применения перовскитных фотоэлементов
Исследование наглядно демонстрирует, что перовскитная фотовольтаика — крайне перспективное направление для автономного питания электроники, сказал «Известиям» профессор Университета ИТМО, заведующий лабораторией гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Сергей Макаров. Ее ключевое преимущество раскрывается в условиях низкой освещенности, где традиционные кремниевые фотоэлементы имеют крайне низкую эффективность.
— Важно отметить, что внутри помещений условия эксплуатации перовскитных элементов гораздо менее агрессивные, чем на открытом воздухе, что значительно повышает их долговечность при использовании оптимизированной инкапсуляции, как в данной работе. Демонстрация питания датчика от комнатного света — это серьезный шаг к коммерциализации технологии. Мы ожидаем, что в недалеком будущем многие носимые устройства и датчики интернета вещей станут полностью энергонезависимыми за счет оснащения такими перовскитными фотоэлементами. Таким образом, эта работа открывает путь к созданию экологически чистых и самообеспечивающих энергией сенсорных сетей, — сказал ученый.
Это перспективное направление, оно становится одной из ниш, где перовскит имеет реальные преимущества перед кремнием благодаря сильному поглощению и низким концентрациям дефектов, отметил д.т.н., заведующий лабораторией перспективной солнечной энергетики Университета МИСИС Данила Саранин.
— Университет МИСИС давно ведет комплексные разработки в этой области. У наших солнечных панелей рекорд по стране и ЕС, КПД — 36% преобразования теплого светодиодного света. И еще в 2020 году была выиграна премия «Новатор Москвы» за разработку полноценного блока питания на основе перовскитов, чтобы заряжать любой гаджет от тусклого офисного света, — отметил специалист.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Physics Letters.