Гибридный перовскитный солнечный элемент вырабатывает энергию из солнечного света и дождя

Аккумулятор Challenger A12-55

Исследователи из Международного центра морских наук в Севилье разработали гибридный перовскитный солнечный элемент, который вырабатывает электричество как за счет солнечного света, так и за счет капель дождя, используя фотоэлектрический и трибоэлектрический эффекты. Фторированный полимерный слой CFₓ обеспечивает водонепроницаемость, сбор трибоэлектрической энергии и высокую светопроницаемость без снижения эффективности солнечных элементов.

Исследователи из Института материаловедения и технологий (ICMS) в Севилье, Испания, разработали гибридную ячейку, которая одновременно преобразует солнечное излучение и удары дождевых капель в электричество. В то время как перовскитный компонент использует фотоэлектрический эффект, для преобразования ударов капель в электричество применяется трибоэлектрический эффект.

Трибоэлектрический эффект возникает при соприкосновении и последующем разъединении двух разных материалов, в результате чего образуется электрический заряд. При соприкосновении материалов электроны переходят от одного материала к другому, а при разъединении возникает разность зарядов, которая создает электрическое напряжение. Например, когда капля воды падает на подходящую полимерную поверхность, при соприкосновении и последующем стекании или отрыве возникает разделение зарядов, которое можно преобразовать в электрический импульс с помощью электродов.

Ключевое нововведение команды — слой фторированного полимера, известный как «слой CFₓ», который выполняет несколько функций. Он изолирует и защищает слой перовскита от влаги, повышает гидрофобность поверхности, снижая взаимодействие с водой, и обладает трибоэлектрическими свойствами. Важно отметить, что он сохраняет высокую оптическую прозрачность — более 90 %, что не влияет на эффективность фотоэлектрических элементов.

Слой CFₓ наносится при комнатной температуре в вакууме с помощью плазменной технологии. По словам исследователей, покрытие практически не влияет на эффективность солнечных элементов, а лучшие образцы демонстрируют КПД 17,9%.

Для получения трибоэлектрической энергии был оптимизирован химический состав слоя CFₓ. В одном из вариантов генератор, приводимый в действие каплями дождя, выдавал напряжение холостого хода до 110 В и максимальную удельную мощность около 4 мВт/м2.

Покрытие не влияет на производительность солнечных батарей. В гибридной установке, сочетающей фотоэлектрическую и трибоэлектрическую генерацию, плотность тока короткого замыкания составила 11,6 мА/м2 при освещенности 0,5 солнечных единиц. Также были зафиксированы пиковые значения напряжения до 12 В на каждую падающую каплю.

В демонстрационном устройстве гибридный перовскитный солнечный элемент использовался для зарядки суперконденсатора с помощью специально разработанного повышающего преобразователя, обеспечивающего непрерывную работу красной светодиодной ленты. Авторы отмечают, что скорость зарядки в первую очередь зависит от солнечного элемента, а трибоэлектрический генератор вносит дополнительный вклад. Пока неясно, можно ли масштабировать эту концепцию за пределы лабораторных прототипов.

Эта работа является частью проекта 3DScavengers, финансируемого Европейским исследовательским советом (стартовый грант ERC), и проекта Drop Ener, софинансируемого Фондом «Следующее поколение».

Исследователи опубликовали результаты своей работы в статье “Водостойкий гибридный перовскитный солнечный элемент — сборщик трибоэлектрической энергии,” опубликованной в журнале Nano Energy.