Революционные моющиеся и растягивающиеся солнечные элементы достигают эффективности 8 %

• Ученые разработали новый органический ультратонкий солнечный элемент, который можно мыть и растягивать на половину длины. 
• Он преобразует солнечный свет в электрическую энергию с эффективностью 8 %, при этом он очень стабилен как в воздухе, так и в воде. 
• Несколько компаний проявили интерес к коммерциализации этой технологии. 

Разработка солнечных панелей звучит здорово, но моющиеся и гибкие солнечные элементы звучат еще лучше. Ученые исследовательского центра RIKEN в Токио разработали новые органические сверхтонкие клетки, которые выдерживают 20 смоделированных циклов стирки и растягиваются вдвое.

Это первый в мире солнечный элемент, который может обеспечить более высокую энергоэффективность, сохраняя при этом растяжимость и стабильность на воздухе и в воде.

Эти элементы можно использовать в текстиле, сетевых устройствах, для подзарядки мобильных устройств в пути, для питания персональных мониторов здоровья и многого другого. Технически возможности безграничны. Давайте узнаем, как именно ученые построили эти клетки и на что они способны.

Структура новых солнечных батарей

Команда ученых из Центра исследований новых веществ RIKEN (CEMS) разработала органическую фотоэлектрическую батарею (OPV) – тонкий органический активный слой солнечного элемента. Он преобразует свет, исходящий от Солнца, в электрическую энергию с эффективностью 8 % и при этом очень стабилен как в воздухе, так и в воде.

Более толстый органический слой можно было бы использовать для достижения максимальной степени конверсии 10%, но для OPV, толщина которого составляет около 1 микрометра, 8% — это впечатляющая степень конверсии. А поскольку органический материал очень тонкий, его можно сгибать, не разбивая.

Несколько месяцев назад тот же слой использовался для создания солнечных элементов, но они не были достаточно растяжимыми. Позже проблема была решена путем включения снаружи растянутых листов резиноподобного эластомера (как сэндвич-структура). Это позволило солнечному элементу сложиться в гармошку с выступами и впадинами.

Помимо придания элементу растяжимости, листы эластомера также в некоторой степени водонепроницаемы, что позволяет солнечным элементам выдерживать 20 циклов механического сжатия в воде в течение 1 часа 40 минут. Эффективность ячеек снизилась всего на 20% после 20 циклов стирки.

Органический солнечный элемент промывают и растягивают

В частности, исследование показывает моющиеся полимерные солнечные элементы с сохранением высокой эффективности (7,9%) и растяжимости (52%). Механически стабильные, сверхгибкие OPV общей толщиной 3 микрометра разработаны путем объединения стабильных активных слоев и инвертированной архитектуры, что обеспечивает эффективность преобразования энергии до 7,9% и демонстрирует стабильную эффективность преобразования энергии в среде окружающего воздуха (54% от первоначальной эффективности через 1 месяц) и растяжимость 41%.

Ссылка:Природа | doi:10.1038/s41560-017-0001-3 | РИКЕН Исследования

Снижение эффективности составило 20,8% при погружении отдельно стоящих OPV в воду на 2 часа. Снижение было значительно снижено до 5,4% при размещении гибких OPV между двумя эластомерами.

Конструкция отдельно стоящих OPV

Приложения

Эти солнечные элементы могут использоваться для питания электронных устройств, таких как датчики для измерения температуры тела, частоты сердечных сокращений, артериального давления или электродермальной активности. Существует также множество тканей со встроенными датчиками. Объединив эти технологии с новым типом солнечных элементов, можно разработать несколько интеллектуальных сенсорных систем одежды.

В далеком будущем, если будет реализовано более высокое напряжение, эти элементы в одежде можно будет использовать для подзарядки портативных инструментов, таких как смартфоны и планшеты, и однажды они смогут удовлетворить потребности домашних хозяйств в электроэнергии. Если бы солнечные элементы можно было объединить с легкими и тонкими батареями, их эффективность можно было бы еще больше повысить.

Реальные приложения, вероятно, появятся через 3-5 лет. Фактически, несколько компаний проявили интерес к коммерциализации этой технологии.

Читайте:Датчики глубины в беспилотных автомобилях теперь в 1000 раз лучше

Однако двумя основными препятствиями на пути коммерциализации будут размер и стоимость солнечных элементов. Пока они ограничены размерами 10*10 см, что довольно дорого в изготовлении. Но это в основном зависит от стоимости активного слоя. Листовое покрытие удивительно тонкое, что в конечном итоге позволит сократить расходы. Поэтому, если крупные компании на рынке решат коммерциализировать его, они смогут создать новую технологию для массового производства материала активного слоя и снизить стоимость.