По словам исследователей, это открытие «прокладывает путь к созданию электроники, работающей от окружающего света, который уже присутствует в нашей жизни».
Доцент Моджтаба Абди-Джалоби и аспирант Симин Хуан с панелями солнечных батарей, оптимизированными для внутреннего освещения. (Изображение предоставлено: UCL Джеймс Тай)
Благодаря разработке новой инновационной солнечной технологии множество персональных и бытовых устройств однажды смогут работать без батареек.
Эти новые солнечные элементы способны вырабатывать энергию от внутреннего освещения. По словам исследователей, это открытие имеет широкое применение и может позволить потребителям питать такие устройства, как клавиатуры, будильники и датчики, используя только внутреннее освещение.
В исследовании, опубликованном 30 апреля в журнале Advanced Functional Materials, учёные использовали перовскит для сбора света в солнечных элементах. Этот материал уже используется в других солнечных элементах и обладает явными преимуществами по сравнению с традиционными солнечными панелями на основе кремния. В частности, согласно исследованию, перовскит поглощает менее интенсивный окружающий свет более эффективно, чем традиционные методы, что делает его идеальным для использования внутри помещений.
Исследователи обнаружили, что новые перовскитные элементы в шесть раз эффективнее солнечных элементов на основе кремния.
В долгосрочной перспективе солнечные элементы на основе перовскита представляют собой более экологичную и экономичную альтернативу батареям, считает соавтор исследования Моджтаба Абди Джалеби, доцент кафедры энергетических материалов в Институте материаловедения Университетского колледжа Лондона.
«Миллиарды устройств, которым требуется небольшое количество энергии, зависят от замены аккумуляторов — это нерациональная практика. Это число будет расти по мере развития Интернета вещей», — говорится в заявлении Джалоби.
«В настоящее время солнечные батареи, улавливающие энергию внутреннего освещения, являются дорогостоящими и неэффективными. Наши специально разработанные перовскитные солнечные батареи для внутреннего освещения могут вырабатывать гораздо больше энергии, чем коммерческие батареи, и являются более долговечными, чем другие прототипы. Они открывают путь к созданию электроники, работающей от окружающего света, который уже присутствует в нашей жизни».
Проблемы с составом перовскита
Перовскит уже становится популярным материалом для использования в солнечных батареях благодаря заметным преимуществам по сравнению с материалами на основе кремния.
Однако, несмотря на перспективность его применения, у этого материала есть ряд недостатков, связанных со стабильностью и долговечностью.
Ключевым фактором здесь являются «ловушки» — мельчайшие дефекты в кристаллической структуре перовскита. Эти ловушки приводят к тому, что электроны застревают в мельчайших дефектах и углублениях материала, тем самым препятствуя выработке энергии.
Более того, хотя ловушки и препятствуют прохождению электрического тока, они также ускоряют разрушение материала с течением времени из-за нелинейного прохождения заряда через материал.
Чтобы решить эту проблему, исследователи, проводившие новое исследование, использовали комбинацию химических веществ для уменьшения количества этих дефектов. В частности, они применяли хлорид рубидия, который «способствовал более равномерному росту» кристаллов перовскита и уменьшал плотность ловушек, говорится в заявлении представителей компании.
Два других химических вещества — йодид N,N-диметилоктиламония (DMOAI) и хлорид фенилэтиламмония (PEACl), представляющие собой органические соли аммония, — также использовались для стабилизации двух типов ионов (йодидов и бромидов) и предотвращения их разделения. Это помогло решить проблему снижения эффективности солнечных батарей в долгосрочной перспективе, как отмечается в исследовании.
«Солнечный элемент с этими крошечными дефектами похож на торт, разрезанный на кусочки. Используя комбинацию стратегий, мы снова собрали этот торт, позволив заряду легче проходить через него», — сказал ведущий автор исследования Симин Хуан, аспирант Института материаловедения Университетского колледжа Лондона.
Заметные преимущества в производительности
После решения проблемы с ловушками исследователи обнаружили, что их солнечные батареи преобразуют 37,6 % света в помещении в электричество. По словам исследователей, это достигается при освещении в 1000 люкс, что эквивалентно «хорошо освещённому офису.»
Исследование также показало, что срок службы увеличился: солнечные элементы сохраняли 92 % своей эффективности в течение 100 дней. Для сравнения: контрольное устройство, в котором перовскит не подвергался обработке для устранения дефектов, сохраняло 76 % своей первоначальной эффективности.
Джалоби сообщил, что команда ведёт переговоры с представителями отрасли, чтобы «изучить стратегии масштабирования и коммерческого внедрения» перовскитных солнечных элементов.
«Преимущество перовскитных солнечных элементов в том, что они недорогие — в них используются материалы, которые в изобилии встречаются на Земле и требуют лишь простой обработки. Их можно напечатать так же, как газету», — сказал Джалеби.