Пасмурная погода и дождь — одни из главных вызовов для солнечной энергетики. Однако ученые из Севильи (Испания) решили не бороться с дождем, а использовать его.
Исследователи из Института материаловедения Севильи разработали гибридное устройство, которое фактически «питается» дождем. Они нанесли специальную, «тефлоноподобную» пленку толщиной всего 100 нанометров на высокоэффективный перовскитный солнечный элемент. У них получилась панель, собирающая световую энергию, когда светит солнце, и кинетическую энергию капель, падающих во время дождя. Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Energy.
Новая панель использует трибоэлектрический эффект. Ударяясь о специально обработанную поверхность, капля скользит по ней, из-за чего возникает трение и разность зарядов. Капля оставляет на поверхности положительный ион, при этом поверхность оказывается отрицательно заряженной. Этот заряд собирается и преобразуется в электричество.
Галогенидные перовскиты — один из наиболее востребованных материалов для солнечной энергетики. По сравнению с кремнием их производство обходится дешевле. При этом эффективность за несколько лет выросла с менее чем 4% до более чем 25%. Однако у них есть уязвимость — чувствительность к влаге и другим воздействиям окружающей среды. Это остается серьезным препятствием для их широкого применения.
При воздействии влаги галогенидные перовскиты очень быстро превращаются в желтоватую, практически бесполезную массу иодида свинца. Если защитное покрытие недостаточно мешает проникновению воды, чувствительные солнечные элементы могут легко повредиться. На этом фоне разработка испанских ученых выглядит особенно впечатляюще.
Исследователи использовали метод плазменно-химического осаждения из газовой фазы для формирования защитного слоя фторированного полимера прямо на поверхности солнечного элемента. Этот процесс происходит при комнатной температуре и не требует применения растворителей. Это позволяет избежать повреждения чувствительных слоев солнечной ячейки во время нанесения.
Толщина покрытия составляет 100 нанометров, но оно выполняет сразу три функции. Оно служит гидрофобным защитным слоем, увеличивая угол контакта воды до 110°. Это помогает практически в два раза повысить устойчивость элемента к влаге. Также покрытие уменьшает отражение и пропускает более 90% света к активному слою элемента. Одновременно оно работает как капельный трибоэлектрический наногенератор. Когда капля дождя падает на поверхность и соскальзывает с нее, возникает трение, создающее электрический потенциал.
Команда продемонстрировала, что при попадании капли дождя их покрытие может генерировать пиковое напряжение холостого хода до 110 вольт. Общая плотность мощности составляет примерно четыре милливатта на квадратный сантиметр. Однако этого хватает, чтобы поддерживать работу маломощной электроники без использования батареи.
Авторы разработки собрали в лаборатории самозаряжающийся прототип, в котором использовался специальный повышающий преобразователь напряжения. Гибридная солнечно-дождевая система непрерывно питала массив красных светодиодов за счет солнечного света. При этом зеленые светодиоды загорались при каждом ударе капли.
Даже спустя 10 дней воздействия высокой температуры и влажности герметизированные элементы сохранили более 50% своей первоначальной эффективности. Исследователи также провели «стресс-тест», погрузив устройство в воду. Оно сохраняло работоспособность более 15 минут, тогда как незащищенные элементы выходили из строя почти мгновенно.
Эта технология пока не может заменить крупные кремниевые солнечные панели на крышах домов. Она скорее подойдет для быстро растущей сферы интернета вещей. Разработку можно использовать в сельском хозяйстве и «умных» городах. Например, технология подойдет для систем мониторинга или автономного вспомогательного освещения.