Революционные стираемые, растяжимые солнечные элементы достигают 8% эффективности

Ученые разработали новый органический, ультратонкий солнечный элемент, который можно стирать и растягивать на половину своей длины.

Он превращает солнечный свет в электрическую энергию с эффективностью 8%, будучи очень стабильным как в воздухе, так и в воде.

Несколько компаний проявили интерес к коммерциализации технологии.

Структура новых солнечных элементов

Команда ученых в RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) разработала органический фотоэлектрический элемент (OPV) — тонкий органический активный слой солнечного элемента. Он преобразует свет, идущий от Солнца, в электрическую энергию, с эффективностью 8%, будучи очень стабильным как в воздухе, так и в воде.

Более толстый органический слой мог бы использоваться для достижения максимального коэффициента конверсии 10%, но для OPV, который имеет толщину около 1 микрометра, 8% — впечатляющий коэффициент конверсии. И поскольку органический материал очень тонкий, его можно гнуть без разлома.

Несколько месяцев назад тот же слой использовался для создания солнечных элементов, но они не были достаточно растяжимыми. Проблема была позже решена интеграцией растянутых резиноподобных эластомерных листов снаружи (как сэндвич-структура). Это позволило солнечному элементу сворачиваться в гармошкообразную структуру с пиками и впадинами.

Помимо придачи элементу растяжимости, эластомерные листы также немного водонепроницаемы, что позволяет солнечным элементам выдерживать 20 циклов механического сжатия в воде в течение 1 часа 40 минут. Эффективность элементов снизилась только на 20% после 20 циклов стирки.

Более конкретно, исследование показывает стираемые полимерные солнечные элементы с сохраненной высокой эффективностью (7,9%) и растяжимостью (52%). Механически стабильные, ультрагибкие OPV с общей толщиной 3 микрометра разработаны путем комбинирования стабильных активных слоев и инвертированной архитектуры, давая коэффициент конверсии мощности до 7,9% и показывая стабильный коэффициент конверсии мощности в окружающей среде воздуха (54% от начальной эффективности через 1 месяц) и растяжимость 41%.

Деградация эффективности составила 20,8% когда фристендинг OPV погружали в воду на 2 часа. Снижение было значительно подавлено до 5,4% при сэндвиче гибких OPV между двумя эламерами.

Применения

Эти солнечные элементы могут использоваться для питания электронных устройств вроде датчиков для измерения температуры тела, частоты сердечных сокращений, артериального давления или электродермальной активности. Существует также множество текстилей со встроенными датчиками. Объединяя эти технологии с этим новым типом солнечных элементов, можно разработать несколько систем умной сенсорной одежды.

В далеком будущем, если можно реализовать более высокие напряжения, эти элементы в одежде могут использоваться для перезарядки портативных инструментов вроде смартфонов, планшетов, и, может быть, однажды способны удовлетворить бытовые потребности в электричестве. Если солнечные элементы могут быть интегрированы с легкими и тонкими батареями, их эффективность может быть еще больше улучшена.

Реальные мировые приложения, вероятно, через 3–5 лет. Фактически, несколько компаний проявили интерес к коммерциализации технологии.

Однако два главных препятствия коммерциализации будут размером и стоимостью солнечных элементов. Пока они ограничены 10×10 см, что довольно дорого для производства. Но это в основном из-за стоимости активного слоя. Покрытие листа удивительно тонкое, что в конечном счете снизит затраты. Так что если крупные компании на рынке решат коммерциализировать это, они смогут построить новую технику массового производства материала активного слоя и снизить стоимость.