Фотоэлемент зарядит «умные» гаджеты от лампочки, продляя свет

Ученые разработали фотопреобразователь, который превращает искусственное освещение в электрическую энергию, и использовали его для питания беспроводного датчика температуры и влажности. Изготовлено устройство из легкого, недорогого и эффективного полупроводника — перовскита. В перспективе оно сможет заменить привычные батарейки, вредные для экологии из-за содержащихся в них ртути, кадмия и других токсичных элементов. Специалисты, опрошенные «Известиями», отмечают, что в ближайшем будущем множество носимых гаджетов и датчиков интернета вещей смогут стать полностью энергонезависимыми благодаря установке таких фотоэлементов, что открывает широкие возможности для создания экологически безопасных и автономных сенсорных сетей.

Как преобразовать искусственный свет в электричество

Ученые из Сколковского института науки и технологий совместно с национальным исследовательским университетом «Высшая школа экономики» создали фотоэлемент, преобразующий искусственное освещение в электроэнергию, предназначенный для питания беспроводного датчика температуры и влажности. Материал устройства — перовскит, характеризующийся небольшой массой, тонкостью и относительно невысокой стоимостью, который широко применяется для создания солнечных батарей.

Фото: Александра Болдырева Структура фотоэлемента, его вольт-амперные характеристики и схема химического осаждения полимера из газовой фазы Справка «Известий»

Перовскит является разновидностью титаната кальция — минерала, обнаруженного в середине XIX века на Урале. Название минерал получил в честь Льва Перовского, основателя Русского географического общества. Его особенности определяются кубической кристаллической структурой, где положительный заряд сконцентрирован в углах, а отрицательный — на гранях. В настоящее время термин «перовскиты» объединяет широкий класс органических и неорганических соединений с данной кристаллической структурой.

Ученые рассказали «Известиям», что множество устройств, которыми мы пользуемся повседневно, функционируют без участия человека. Например, умный увлажнитель воздуха активируется при снижении влажности в помещении, а кондиционер обеспечивает заданную температуру. Для работы таких приборов необходимы сенсоры: увлажнителю требуются датчики влажности, а кондиционеру — температуры.

Фото: Александра Болдырева Александра Болдырева — руководитель проекта, кандидат химических наук, научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха

Обычно питание таких датчиков обеспечивают с помощью обычных батареек. Но эти источники электричества оказываются вредными для природы, так как содержат свинец, ртуть, кадмий и прочие токсичные вещества. Переработка батареек затруднена, кроме того их можно использовать лишь однократно, в отличие от аккумуляторов. Например, аккумуляторы смартфонов выдерживают от 500 до 1000 циклов зарядки, после чего их емкость снижается. Однако у аккумуляторов есть существенный недостаток — им требуется регулярное пополнение заряда. Значительные ресурсы затрачиваются на замену батареек и подзарядку аккумуляторов, особенно когда речь идет о тысячах датчиков.

Фото: Александра Болдырева Владимир Парфенов, инженер проекта, работающий в центре коллективного пользования «Фаблаб и Мастерская» Сколтеха

Чтобы защитить прибор от влаги, химических воздействий и других факторов окружающей среды, продлив его эксплуатационный срок, ученые поместили фотоэлемент в полимерную оболочку. Этот материал устойчив к кислотам и растворителям, отличается высокой температурой плавления и является диэлектриком. Авторы эксперимента доказали, что такая инкапсуляция обеспечивает срок службы не менее 10 тысяч часов, что сопоставимо с работой одноразовых батареек в устройствах интернета вещей.

Фото: Александра Болдырева Ольга Парфенова — младший научный сотрудник Сколтеха, участник проекта

Результаты проверки прототипа показали, что для непрерывной работы около 87 часов устройству необходима освещенность порядка 1000 люксов. Обычно в офисных помещениях уровень освещенности у рабочего стола находится в диапазоне 800–1000 лк. Для полностью автономной работы без подзарядки необходим уровень не ниже 3000 лк. Такая яркость чаще всего достигается вблизи источников искусственного света, например, офисных ламп. Поэтому исследователи рекомендуют размещать датчик как можно ближе к ним.

Фото: Александра Болдырева Дмитрий Милютин — стажер-исследователь Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», первый автор проекта

— В нашей работе мы показали, что перовскитные фотоэлементы способны, при условии надлежащей защиты от внешних факторов, эффективно функционировать в качестве зарядного устройства для беспроводных сенсоров. Это открывает новые возможности для применения таких элементов не только для преобразования солнечной, но и искусственной энергии. В дальнейшем мы планируем создать фотоэлемент, интегрированный с суперконденсатором в одном устройстве, — сообщила руководитель проекта, научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха Александра Болдырева.

Перспективы использования фотоэлементов на основе перовскита

Исследование демонстрирует, что фотовольтаика на основе перовскита является очень перспективной областью для автономного энергоснабжения электроники, отметил профессор Университета ИТМО, руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Сергей Макаров в интервью «Известиям». Его основное преимущество проявляется при низком уровне освещения, когда кремниевые фотоэлементы показывают низкую эффективность.

— Следует подчеркнуть, что внутри помещений условия эксплуатации значительно мягче, чем на улице, что увеличивает срок службы перовскитных элементов при применении оптимальной инкапсуляции, как в данном исследовании. Демонстрация питания датчика от комнатного света — важный шаг на пути к коммерческому применению этой технологии. Мы ожидаем, что в будущем множество носимых устройств и устройств интернета вещей будут полностью независимы от внешних источников энергии благодаря использованию таких перовскитных фотоэлементов. Таким образом, данная работа ориентирует на развитие экологически чистых и энергонезависимых сенсорных систем, — сказал ученый.

Это направление обладает большим потенциалом, являясь нишей, где перовскит обладает реальными преимуществами по сравнению с кремнием благодаря сильному поглощению света и низкому уровню дефектов, отметил доктор технических наук, руководитель лаборатории перспективной солнечной энергетики Университета МИСиС Данила Саранин.

— В Университете МИСиС давно ведутся комплексные исследования в данной области. Наши солнечные панели удерживают рекорд России и ЕС, достигая КПД 36% при преобразовании теплого светодиодного света. В 2020 году нам была присуждена премия «Новатор Москвы» за создание полнофункционального блока питания на основе перовскитов, который позволяет заряжать гаджеты от тусклого офисного света, — добавил специалист.

Результаты научной работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Physics Letters.