Американские учёные создали солнечные батареи на основе графена, которые могут заряжать суперконденсаторы
Аккумулятор TROJAN T105
Солнечные элементы сочетают в себе многослойный графен и кремниевые пластины, которые улавливают как солнечную, так и кинетическую энергию для непрерывной работы. Тесты показали, что элементы могут автономно питать суперконденсаторы, встроенные в датчик температуры.
Исследователи из Арканзасского университета в США создали солнечный элемент на основе графена, который можно использовать в приложениях Интернета вещей (IoT).
Устройство было разработано в рамках исследовательского проекта, направленного на создание автономных сенсорных систем, которые получают энергию из различных источников окружающей среды, включая солнечную, тепловую, акустическую, кинетическую, нелинейную и фоновое излучение.
Графен широко используется в исследованиях в области солнечной энергетики для разработки прозрачных электродов, контактов, транспортных слоёв, а также антибликовых или защитных покрытий. Это полуметалл с нулевой шириной запрещённой зоны, который может поглощать лишь около 2,3 % видимого света на слой и, следовательно, сам по себе не способен эффективно улавливать солнечную энергию. Однако его уникальные электронные и оптические свойства обеспечивают интересное фотоэлектрическое поведение при использовании в других устройствах.
«Исследователи опробовали различные методы повышения эффективности преобразования энергии в этих солнечных элементах, в том числе оптимизировали толщину графеновых листов, усовершенствовали процесс интеграции с кремниевой подложкой, добавили дополнительные межфазные материалы, легировали кремниевые подложки, использовали текстурированные кремниевые поверхности и кремниевые нанопроволоки», — объяснили учёные.
Они также отметили, что графеновые солнечные элементы были выбраны вместо обычных высокоэффективных фотоэлектрических элементов, поскольку графен может накапливать кинетическую энергию, что позволяет устройству работать даже при отсутствии солнечного света.
Для создания ячейки учёные использовали имеющиеся в продаже кремниевые пластины n-типа толщиной 500 мкм, покрытые толстым термическим оксидным слоем. Верхний оксидный слой был сформирован и вытравлен непосредственно на чистом кремнии, а на чипе был нанесён второй рисунок, после чего было выполнено осаждение металла для создания двух золотых контактных площадок. Затем на открытый кремний и верхнюю контактную площадку был нанесён многослойный графен.
«Благодаря прозрачности графена свет проходит сквозь него и поглощается кремниевой подложкой», — объяснила исследовательская группа, отметив, что элементы были соединены последовательно в рамках небольшого массива. «Выбирая и соединяя последовательно различные солнечные элементы, мы можем зарядить накопительные конденсаторы до необходимого уровня напряжения».
Для системы датчиков температуры команда решила использовать суперконденсаторы вместо аккумуляторов, чтобы снизить общее энергопотребление и продлить срок службы. Три накопительных конденсатора выполняют разные функции.
Лабораторные испытания показали, что система работает автоматически без внешнего питания. Она основана на процессоре, который большую часть времени находится в режиме ожидания и активируется лишь на короткое время. «Накопительные конденсаторы непрерывно питают нашу систему датчиков температуры, даже когда они периодически подзаряжаются от солнечных батарей», — подчеркнули учёные.
Система была описана в статье «Массив мини-графеново-кремниевых солнечных элементов периодически перезаряжает накопительные конденсаторы, питающие датчик температуры», опубликованной в Journal of Vacuum Science & Technology B.
«Статья подтверждает, что можно создать датчик температуры со сверхнизким энергопотреблением, используя солнечную энергию на основе графена», — заключили учёные.