5 Minutės
Perovskito elementai, kurie surenka vidaus apšvietimą, gali padaryti daugelį įrenginių be baterijų
Tyrėjai sukūrė miniatiūrines perovskito saulės ląsteles, gebančias paversti aplinkos vidaus apšvietimą į panaudojamą elektrą reikšmingai didesniu efektyvumu nei įprastos silicio pagrindo vidaus fotovoltinės sistemos. Straipsnis, paskelbtas balandžio 30 d. žurnale Advanced Functional Materials, rodo, kad specialiai pritaikytos perovskito sudėtys gali rinkti energiją esant tipiškam biuro apšvietimui ir išlaikyti veikimą per kelis mėnesius, atverdamos galimą kelią įrenginiams be baterijų, tokiems kaip klaviatūros, signalizacijos, belaidžiai jutikliai ir kiti mažos galios daiktų interneto (IoT) įrenginiai.
Mokslinis pagrindas: kodėl perovskitas veikia patalpose
Perovskitai yra kristalinė medžiagų klasė, kurią intensyviai tiriama saulės energijos srityje, nes jie efektyviai sugeria šviesą ir gali būti gaminami naudojant pigias, tirpalais grįstas technologijas. Skirtingai nei įprastos silicio ląstelės, optimizuotos tiesioginei saulės šviesai, perovskito formulės gali būti derinamos taip, kad geriau sugeria žemesnės intensyvumo, difuzinę šviesą, būdingą vidaus aplinkoms. Tyrėjų komanda praneša, kad jų optimizuotos perovskito ląstelės pasiekė 37,6% energijos konversijos efektyvumą esant 1 000 liuksų — maždaug gerai apšviesto biuro lygiui — ir buvo apie šešis kartus efektyvesnės nei atitinkamos silicio ląstelės tokiomis pačiomis vidaus sąlygomis.
Pagrindinės medžiagos ir našumo iššūkiai
Viena iš perovskitų medžiagų ribotumų buvo struktūrinės defektai, vadinami „gaudyklėmis" — smulkios kristalinės tinklo netolygumai, kur charge nešėjai (elektronai arba skylės) immobilizuojasi. Šios gaudyklės mažina momentinę elektros išvestį ir pagreitina ilgalaikį degradaciją, nes trikdo sklandų krūvio perdavimą medžiagoje. Siekdami spręsti šiuos sunkumus, komanda pakeitė perovskito cheminę sudėtį ir apdorojimo būdus, kad sumažintų gaudyklių tankį ir stabilizuotų joninius komponentus, kurie gali migruoti arba segreguotis laikui bėgant.
Eksperimento detalės ir sudėties strategijos
Norėdami sumažinti defektus ir pagerinti stabilumą, tyrėjai įdiegė priedų ir paviršiaus apdorojimų derinį. Rubidžio chloridas buvo naudojamas skatinti tolygesnį kristalų augimą, taip mažinant gaudyklių tankį. Dvi organinės amonio druskos — N,N-dimetilooktilammonio jodidas (DMOAI) ir fenetilammonio chloridas (PEACl) — buvo taikomos stabilizuoti jodido ir bromido jonus perovskito tinkle, neleidžiant jonų segregacijai, kuri įprastai lemia degradaciją. Autoriai šiuos žingsnius apibūdina kaip atkuriant nuoseklumą medžiagos krūvio perdavimo tinkle — efektą, kurį jie palygina su sujungiamos sulūžusio pyrago dalimis, kad elektros krūvis galėtų laisviau praeiti.
Po šių cheminių ir apdorojimo optimizacijų prietaisai išlaikė 92% pradinio našumo po 100 dienų kontroliuojamų bandymų. Kontrolinis perovskito įrenginys be defektų mažinimo priemonių per tą patį laikotarpį išlaikė tik 76% pradinio galingumo, kas demonstruoja naujo požiūrio stabilizuojantį pranašumą.
Poveikis vartotojų elektronikai ir IoT
Mažos galios elektronika yra didelė ir auganti produktų klasė, šiuo metu priklausanti nuo vienkartinių arba įkraunamų baterijų. Straipsnio bendraautorius Mojtaba Abdi Jalebi, energetinių medžiagų docentas University College London medžiagų atradimo institute, pažymi, kad milijardai mažų įrenginių reikalauja dažnos baterijų priežiūros, o tai kelia didėjančią aplinkos naštą plečiantis IoT diegimams. Leidžiant komponentams rinkti energiją iš aplinkos vidaus apšvietimo, perovskito vidaus fotovoltika galėtų sumažinti baterijų atliekas, sumažinti savininkavimo išlaidas ir supaprastinti įrenginių dizainą.
Technologijos galimi pranašumai apima mažas gamybos sąnaudas, naudojimąsi žemės gausiais žaliavų šaltiniais ir suderinamumą su spausdinimo gamybos metodais, panašiais į laikraščių spausdinimą. Tyrėjų komanda jau diskutuoja apie mastelio didinimo ir komercializacijos kelius su pramonės partneriais, siekdama perkelti laboratorinius rezultatus į gyvybingus produktus.
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Vidaus energijos rinkimas papildo kitas plėvelių ir nanodalelių technologijas, kurios siekia paversti paviršius mažo masto energijos generatoriais — nuo itin plonų saulės dangų telefonų dėklams iki nanodalelėmis pagerintų PV plėvelių automobiliams. Perovskito vidaus ląstelių derinimas su energiją taupančia elektronika, superkondensatoriais ar mikroenergijos saugyklomis galėtų sukurti savarankiškai veikiančius įrenginius, kuriems niekada nereikėtų išorinių baterijų keitimo. Likę iššūkiai apima ilgalaikį stabilumą realiomis sąlygomis (temperatūros svyravimai, drėgmė, mechaninė įtampa) ir saugią, mastelį leidžiančią gamybą, kontroliuojančią toksiškus ar lakstančius pradininkus.
Eksperto įžvalga
Dr. Elena Vasquez, medžiagų mokslininkė viename iš pagrindinių tyrimų institutų, komentavo studijos reikšmę: 'Pasiekti beveik 40% efektyvumą esant įprastam vidaus apšvietimui yra svarbus pasiekimas. Defektų pasyvavimo ir jonų stabilizavimo derinys, įgyvendintas čia, sprendžia du iš nuolatinių perovskitų silpnybių: krūvio gaudymą ir joninę migraciją. Vis dėlto įrodymas, kad technologija tarnaus daugelį metų kasdienėje aplinkoje, bus lemiamas žingsnis prieš plačią vartotojų elektronikos priėmimą.'
Praktiniai aspektai ir kiti žingsniai
Net turint viltingus laboratorinius rezultatus, lieka keletas translacijai svarbių etapų. Įrenginių pakuotė turi apsaugoti perovskito sluoksnius nuo drėgmės ir mechaninių pažeidimų, kartu palaikant žemas sąnaudas. Gamintojams reikės įvertinti ciklo gyvavimo poveikį, palyginti su esamais baterijų tiekimais ir perdirbimo keliais. Tyrėjų komanda planuoja optimizuoti mastelio leidžiančias padavimo technikas ir siekti pramonės partnerių, kad pilotiniai moduliai būtų išbandyti realiame pasaulyje namuose ir biuruose.
Išvados
Naujos perovskito vidaus saulės ląstelės demonstruoja realų kelią maitinti mažą elektroniką, naudojant kambario apšvietimą. Mažinant gaudyklių sukeliamus defektus ir stabilizuojant joninius komponentus, tyrėjai žymiai pagerino tiek efektyvumą, tiek trumpalaikį patikimumą, pasiekdami 37,6% konversiją esant 1 000 liuksų ir 92% išlaikymą po 100 dienų. Jei gamintojai gebės išplėsti gamybą ir patikrinti ilgalaikį patikimumą, perovskito pagrindu veikiančios vidaus fotovoltinės technologijos gali tapti praktišku, nebrangiu sprendimu mažinant priklausomybę nuo baterijų daugelyje IoT ir namų prietaisų.
Šaltinis: livescience
Komentarai