З того часу, як ми почали використовувати сонячні промені, хмари завжди були нашим ворогом. Коли небо стає сірим та падають перші краплі, постійний потік електронів від традиційних сонячних панелей сповільнюється до мінімуму. Але група вчених із Севільї, Іспанія, вирішила, що замість боротьби з дощем сонячні технології мають його використовувати.
Дослідники з Лабораторії нанотехнологій на поверхнях та плазмі Інституту матеріалознавства Севільї (ICMS) розробили гібридний пристрій, який фактично живиться дощовою водою. Застосувавши спеціальну «тефлоноподібну» плівку завтовшки всього 100 нанометрів на високоефективний перовськітний сонячний елемент, вони створили панель, яка збирає світло, коли сонячно, і кінетичну енергію, коли йде дощ.
Нова панель використовує трибоелектричний ефект. Коли крапля вдаряється об спеціально оброблену поверхню і ковзає по ній, виникає тертя та різниця зарядів. Наприклад, крапля може залишити після себе позитивний іон, тоді як поверхня буде негативно заряджена. Потім заряд збирається і перетворюється на електрику.
Парадокс перовськітів
Щоб зрозуміти, чому це «переломний момент», потрібно поглянути на матеріал усередині. Галогенідні перовськіти - улюбленці світу відновлюваної енергії. Їх виробництво дешевше, ніж виробництво кремнію, а їхня ефективність злетіла з менш ніж 4% до більш ніж 25% всього за кілька років.
Однак вони, як відомо, дуже тендітні. «Вроджена вразливість галогенідних перовськітів до вологи та дії навколишнього середовища залишається критичною перешкодою для їх широкого застосування», — зазначають дослідники у своїй статті, опублікованій у журналі Nano Energy.
Вплив вологості зазвичай перетворює ці високотехнологічні кристали на жовту, непридатну масу йодиду свинцю протягом декількох хвилин. Очевидний висновок полягає в тому, що ці сонячні панелі є надзвичайно вразливими для дощу, ризикуючи бути пошкодженими, якщо їх покриття не захистять від води. Це робить нещодавню роботу, яка перевертає ситуацію з ніг на голову ще більш дивовижною.
Команда ICMS використовувала технологію плазмово-посиленого хімічного осадження з газової фази (PECVD) для вирощування захисного полімерного фторованого шару безпосередньо на комірці. Цей процес відбувається при кімнатній температурі та повністю не містить розчинників. Це означає, що він не пошкоджує чутливі шари сонячного осередку під час нанесення.
Це 100-нанометрове покриття виконує потрійну функцію. Воно діє як гідрофобний екран, збільшуючи кут змочування водою до 110 °, що фактично подвоює стійкість комірки до вологи. Воно зменшує відбиття і збільшує світлопроникність більш ніж на 90%, фактично допомагаючи комірці поглинати більше сонячного світла, ніж якби вона була без покриття. І воно функціонує як крапельний трибоелектричний наногенератор (D-TENG). Коли крапля дощу ударяється об поверхню і зісковзує, тертя створює електричний потенціал.
"У нашій роботі пропонується передове рішення, що поєднує фотоелектричну технологію перовськітних сонячних елементів з трибоелектричними наногенераторами в тонкоплівковій конфігурації, що демонструє можливість впровадження обох систем збирання енергії", - пояснює Кармен Лопес, провідний дослідник ICMS.
Перетворення крапель на вольти
Команда продемонструвала, що оптимізоване покриття може генерувати пікові значення напруги холостого ходу до 110 вольтів при попаданні однієї краплі дощу. Хоча загальна щільність потужності відносно низька — близько 4 міліватів на квадратний сантиметр — цього більш ніж достатньо для безперебійної роботи малопотужної електроніки без батареї.
У своїй лабораторії дослідники створили прототип, що самозаряджається, використовує спеціальний «підвищувальний перетворювач» для підвищення напруги. Гібрид сонячної енергії та дощу зміг безперервно живити масив червоних світлодіодів від сонця, у той час, як масив зелених світлодіодів блимав з кожним «стуком» краплі, що падає.
Інкапсульовані елементи зберегли понад 50% своєї початкової ефективності навіть після 10 днів дії високої температури та вологості. У "випробуванні на міцність", що включає занурення в рідку воду, гібридний пристрій зберігав свою продуктивність більш як 15 хвилин, в той час, як неінкапсульовані елементи виходили з ладу практично миттєво.
Ця технологія поки що не призначена для заміни масивних кремнієвих панелей на дахах. Натомість це прямий постріл по зростальному «Інтернету речей» (IoT). Оскільки ми розміщуємо мільйони датчиків на мостах, сільськогосподарських полях та в розумних містах для моніторингу всього, від забруднення до структурної цілісності, ми стикаємося з «кризою батарей» — ми не можемо постійно виходити з дому, щоб їх замінити.
"Її впровадження в так званих розумних містах цілком здійсненно, наприклад, в системах індикації, автономному додатковому освітленні або моніторингу", - каже дослідник Фернандо Нуньєс. "Вона також застосовна для розподілених енергетичних систем у віддалених, важкодоступних або ізольованих районах, таких як морські станції".
Дослідники додали, що, збираючи «кінетичну енергію від кінетичних ударів дощу», ці панелі можуть забезпечити «надійний доступ до цих крихітних потоків енергії» у місцях, де дроти чи традиційні батареї просто не працюють. Це віддаляє нас від світу, де пристрої просто переходять у сплячий режим за поганої погоди, і наближає до майбутнього з більшою енергетичною автономністю.
