5 Minuten
Perovskito elementai, kurie surenka vidaus apšvietimą, gali leisti daugeliui prietaisų veikti be baterijų
Tyrėjai sukūrė miniatiūrinius perovskito saulės elementus, galinčius konvertuoti aplinkos vidaus apšvietimą į naudinga elektros energiją su žymiai aukštesniu efektyvumu nei įprasta silicio pagrindo vidaus fotovoltika. Straipsnis, paskelbtas balandžio 30 d. žurnale Advanced Functional Materials, rodo, kad pritaikytos perovskito sudėtys gali sugeneruoti energiją įprastiniame biuro apšvietime ir palaikyti veikimą kelis mėnesius, atverdamos kelią baterijų nereikalaujantiems periferiniams įrenginiams, tokiems kaip klaviatūros, signalizacijos, belaidžiai jutikliai ir kiti mažos galios Interneto daiktų (IoT) įrenginiai.
Mokslinis pagrindas: kodėl perovskitas veikia viduje
Perovskitai yra kristalinė medžiagų klasė, kuri intensyviai tiriama dėl saulės energijos, nes jie efektyviai sugeria šviesą ir gali būti gaminami naudojant pigesnius tirpalo pagrindu veikiančius procesus. Skirtingai nuo tradicinių silicio elementų, optimizuotų stipriai saulės šviesai, perovskito formulės gali būti priderintos prie mažesnės intensyvumo, difuzinės šviesos, būdingos vidaus aplinkai. Tyrėjų komanda praneša, kad jų optimizuoti perovskito elementai pasiekė 37.6% galios konversijos efektyvumą esant 1,000 lux — maždaug gerai apšviesto biuro lygis — ir buvo apie šešis kartus efektyvesni už analogiškus silicio pagrindo elementus tais pačiais vidaus sąlygomis.
Pagrindinės medžiagos ir našumo iššūkiai
Viena perovskito medžiagų ribojimų yra struktūrinės defektų vietos, žinomos kaip 'spąstai' — smulkios kristalinės gardelės netobulybės, kuriose įkroviniai nešėjai (elektronai arba skylės) gali užstrigti. 'Spąstai' mažina momentinę elektros išvestį ir pagreitina ilgalaikį degradavimą, nes trukdo sklandžiam krūvio persiuntimui per medžiagą. Siekdama spręsti šias problemas, komanda modifikavo perovskito cheminę sudėtį ir gamybos procesus, kad sumažintų spąstų tankį ir stabilizuotų jonines sudedamąsias dalis, kurios gali migruoti arba atskilti laikui bėgant.
Eksperimento detalės ir sudėties strategijos
Norėdami sumažinti defektus ir pagerinti stabilumą, tyrėjai įterpė įvairių priedų ir paviršiaus apdorojimų derinį. Rubidžio chloridas buvo naudojamas skatinant tolygesnį kristalų augimą, taip sumažinant spąstų tankį. Du organiniai amonio druskos — N,N-dimetilooktilamonio jodidas (DMOAI) ir fenetilamonio chloridas (PEACl) — buvo taikomos stabilizuoti jodido ir bromido jonus perovskito gardelėje, užkertant kelią jonų segregacijai, kuri dažnai sukelia degradaciją. Autoriai šiuos veiksmus apibūdina kaip medžiagos krūvio perdavimo tinklo atkūrimą, efektą jie palygina su suskaldyto pyrago surinkimu, kad elektros krūvis galėtų laisviau tekėti.
Po šių cheminių ir apdirbimo optimizacijų įrenginiai išlaikė 92% pradinio veikimo po 100 dienų kontroliuotų bandymų. Kontrolinis perovskito įtaisas be defektų mažinimo priemonių per tą patį laikotarpį išlaikė tik 76% pradinio išėjimo, taip parodydamas naujo požiūrio stabilizuojamą naudą.
Poveikis vartotojų elektronikai ir IoT
Mažos galios elektronika yra didelė ir sparčiai auganti produktų klasė, kuri šiuo metu remiasi vienkartinėmis ar įkraunamomis baterijomis. Straipsnio bendraautoris Mojtaba Abdi Jalebi, energetinių medžiagų docentas University College Londonio Medžiagų atradimų institute, pažymi, kad milijardai mažų įrenginių reikalauja dažnos baterijų priežiūros — praktikos, kurios aplinkosaugos kaina didėja kartu su IoT diegimu. Leidžiant komponentams išgaunant energiją iš aplinkos vidaus apšvietimo, perovskito vidaus fotovoltika galėtų sumažinti baterijų atliekas, sumažinti eksploatacijos kaštus ir supaprastinti įrenginių dizainą.
Technologijos galimi privalumai apima mažas gamybos išlaidas, žemėje gausių žaliavų naudojimą ir suderinamumą su spausdinimu paremtomis gamybos technikomis, panašiomis į laikraščių spausdinimą. Tyrėjų komanda jau aptarinėja mastelio didinimo ir komercializacijos kelius su pramonės partneriais, siekdama laboratorinius rezultatus paversti į rinkai tinkamus produktus.
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Vidaus energijos kaupimas papildo kitas plonų dangų ir nanopartikulių strategijas, kurios siekia paversti paviršius mažos galios generatoriais — nuo ypač plonų saulės dangų telefonų dėklams iki nanopartikulių pagerintų PV plėvelių transporto priemonėms. Perovskito vidaus elementų derinimas su energiją taupančia elektronika, superkondensatoriais ar mikro energijos saugyklomis galėtų sukurti savaime palaikančius įrenginius, kuriems niekada nereikėtų išorinių baterijų keitimo. Vis dar lieka kliūčių: ilgalaikis stabilumas realiomis sąlygomis (temperatūros svyravimai, drėgmė, mechaninis stresas) ir saugi, mastelį leidžianti gamyba, kontroliuojanti toksiškus ar lakius prekursorius.
Eksperto įžvalga
Dr. Elena Vasquez, medžiagų mokslininkė viename dideliame tyrimų institute, komentavo studijos svarbą: "Pasiekti beveik 40% efektyvumą įprastiniame vidaus apšvietime yra reikšmingas pasiekimas. Defektų pasyvavimo ir jonų stabilizavimo derinys, įdiegtas čia, sprendžia du iš nuolatinių perovskitų silpnybių: krūvio užstrigimą ir joninę migraciją. Tačiau įrodymas, kad produktai ištvers daugelį metų įprastinėse aplinkose, bus lemiamas kitas žingsnis prieš plačiai pritaikant šią technologiją vartotojų elektronikoje."
Praktiniai aspektai ir tolimesni žingsniai
Net ir turint perspektyvius laboratorinius rezultatus, lieka keletas translacijos žingsnių. Įrenginių pakuotė turi apsaugoti perovskito sluoksnius nuo drėgmės ir mechaninių pažeidimų, išlaikant žemas sąnaudas. Gamintojai turės įvertinti viso gyvavimo ciklo poveikį, palyginti su esamomis baterijų tiekimo ir perdirbimo schemomis. Tyrėjų komanda planuoja optimizuoti mastelinius nuosėdų gavimo metodus ir užmegzti pramoninius partnerystės ryšius, kad būtų bandomi moduliai realiame pasaulyje namuose ir biuruose.
Išvados
Nauji perovskito vidaus saulės elementai demonstruoja realų kelią mažai energijos reikalaujančių elektronikos įrenginių maitinimui naudojant kambario apšvietimą. Sumažinę spąstais susijusius defektus ir stabilizavę jonines sudedamąsias dalis, tyrėjai ženkliai pagerino tiek efektyvumą, tiek trumpalaikį patvarumą, pasiekdami 37.6% konversiją esant 1,000 lux ir 92% išsaugojimą po 100 dienų. Jei gamintojams pavyks išplėsti gamybą ir patvirtinti ilgalaikį patikimumą, perovskito pagrindu sukurta vidaus fotovoltika galėtų tapti praktišku, mažos kainos sprendimu mažinant priklausomybę nuo baterijų plačiame IoT ir namų įrenginių spektre.
Quelle: livescience
Kommentare