Британські вчені створили сонячні панелі для приміщень

Дослідники з Університетського коледжу Лондона та їхні співробітники створили новий клас сонячних елементів для приміщень, які не просто працюють під штучним освітленням, а показують рекордні результати. Їхній пристрій перетворює 37,6 відсотка світла у добре освітленій кімнаті на корисну електроенергію, що є світовим рекордом для цього типу технологій.

Традиційні кремнієві елементи створені для прямого сонячного світла, але жахливо працюють зі штучним освітленням. Водночас мільярди малих пристроїв, таких як пульти дистанційного керування, сигналізації та бездротові датчики, проводять усе своє життя під стелями приміщень. Їх доводиться живити одноразовими батарейками, кожна з яких є крихітним пакетом видобутих металів, призначених для звалища.

Секрет нової технології полягає у перовскіті — кристалічному матеріалі, атомну решітку якого можна налаштувати для поглинання специфічних довжин хвиль, що випромінюються світлодіодами та люмінесцентними лампами. Доктор Моджтаба Абді-Джалебі, доцент Інституту відкриття матеріалів Університетського коледжу Лондона, пояснив, що наразі сонячні елементи, які збирають енергію від внутрішнього освітлення, є дорогими та неефективними. Їхні спеціально розроблені перовскітні сонячні елементи для приміщень можуть збирати набагато більше енергії, ніж комерційні елементи, і є більш довговічними за інші прототипи.

Експерти вважають перовскіти майбутнім сонячної енергетики. Вони коштують менше, пропонують більшу універсальність порівняно з кремнієм і можуть друкуватися як газетне чорнило. Вони вже підштовхують межі ефективності в зовнішніх сонячних панелях. Але в приміщеннях вони стикалися з фундаментальною проблемою.

Крихітні дефекти, які називають пастками, ховаються глибоко всередині кристалічної структури перовскіту, захоплюючи електрони та розсіюючи їхню енергію у вигляді тепла. Ці пастки також сприяють руйнуванню матеріалу з часом.

Команда доктора Абді-Джалебі вирішила цю проблему за допомогою потрійної хімічної обробки. Спочатку вони ввели хлорид рубідію, який допоміг кристалам рости більш рівномірно та зменшив напруження. Потім вони додали два органічні сполуки — DMOAI та PEACl — щоб утримати іони в матеріалі стабільними та на місці.

Сімін Хуан, провідний автор дослідження та аспірант Університетського коледжу Лондона, пояснив, що сонячний елемент з цими крихітними дефектами схожий на торт, розрізаний на шматки. Завдяки поєднанню стратегій вони знову склали цей торт разом, дозволивши заряду проходити через нього легше. Три інгредієнти, які вони додали, мали синергетичний ефект, створюючи комбінований ефект, більший за суму частин.

Обробка повністю змінила поведінку поверхні сонячного елемента. Тести показали, що поверхня перейшла від n-типу до p-типу структури, що значно полегшило протікання електрики через матеріал.

Результатом став перовскітний елемент, налаштований на ширину забороненої зони 1,75 електронвольт — саме те, що потрібно для поглинання високоенергетичного, переважно видимого світла в приміщеннях.

Сонячні елементи команди показали найкращі результати під світлодіодним освітленням потужністю 1000 люкс, що відповідає яскравості добре освітленого офісу. За таких умов пристрій досяг ефективності перетворення потужності 37,6 відсотка, що є рекордом для перовскітних елементів, призначених для використання в приміщеннях. Після 100 днів елементи зберегли 92 відсотки своєї початкової продуктивності. Навіть після 300 годин безперервного яскравого світла при температурі 55 градусів Цельсія вони зберегли три чверті своєї ефективності.

Щоб зрозуміти, чому це важливо, варто розглянути середній розумний дім сьогодні. Кожен датчик дверей, пульт дистанційного керування та термостат часто покладається на маленьку батарейку. Помножте це на мільярди пристроїв та на те, як часто ці батарейки змінюються, і екологічні витрати накопичуються.

Доктор Абді-Джалебі зазначив, що мільярди пристроїв, які потребують невеликих кількостей енергії, покладаються на заміну батарейок — це неприйнятна практика. Це число зростатиме зі розширенням Інтернету речей.

Наразі сонячні елементи Університетського коледжу Лондона існують лише в лабораторії. Але дослідники кажуть, що вони вже ведуть переговори з промисловими партнерами. Доктор Абді-Джалебі повідомив, що вони наразі обговорюють з промисловими партнерами стратегії масштабування та комерційного впровадження.

Оскільки перовскітні елементи можна друкувати за допомогою простих процесів і вони покладаються на поширені елементи, масове виробництво може бути не таким далеким. І якщо це станеться, вплив може поширитися далеко за межі зручності. Ці елементи можуть допомогти зменшити відходи батарейок, підтримати розумні міста та живити наступне покоління автономних пристроїв Інтернету речей.

Результати дослідження опубліковані в журналі Advanced Functional Materials. Це відкриття може революціонізувати спосіб живлення малих електронних пристроїв у наших домах та офісах, зменшуючи залежність від одноразових батарейок та їхній негативний вплив на довкілля.