Лампа вместо солнца: энергию можно будет получать даже от слабых источников света

Ученые разработали зарядные элементы нового типа, которые быстро аккумулируют энергию даже от слабых источников света, при этом достаточную для работы самой распространенной бытовой техники. Они дешевле, эффективнее и долговечнее привычных панелей. В ближайшие годы это может избавить миллиарды людей от вечной проблемы: севшие батарейки и разряженные гаджеты. И полностью изменить рынок «зеленой» энергетики. 

Представьте, что ваш телефон подзаряжается без зарядных устройств, просто лежа на рабочем столе под обычной лампой. Пульт от телевизора никогда не «умирает», потому что ему хватает света в комнате. Беспроводные наушники заряжаются в ушах, пока вы идете по улице. А умные датчики дома и на даче работают годами без единой замены батареек.

Эта картина перестает быть фантастикой. Международная команда ученых из Университетского колледжа Лондона (UCL) создала новые перовскитовые солнечные элементы, которые стабильно работают даже там, где кремниевые панели бессильны — в помещениях с лампами или при рассеянном дневном свете.

От уральского минерала до технологий будущего

Современные кремниевые солнечные панели достигли своего потолка. Их эффективность не превышает 22–24%. Это связано с особенностями самого материала: кремний плохо «ловит» свет в условиях рассеянного освещения, а под прямыми солнечными лучами из-за нагрева теряет часть производительности. При этом, несмотря на десятилетия эволюции, кремниевые батареи все еще дороги: цена наиболее эффективных начинается от $200–250 за квадратный метр.

Альтернатива кремнию известна уже более тридцати лет: ученые и инженеры разных стран давно разрабатывают солнечные элементы, светодиоды, датчики и лазеры на основе перовскитов. Это не одно вещество, а целый класс материалов, обладающих особой кристаллической структурой. Впервые ее обнаружили в титанате кальция, найденном на Урале в XIX веке. Название она получила в честь Льва Перовского — в то время главы МВД и покровителя наук.

В последние десять-пятнадцать лет синтетические перовскиты (особенно гибридные органо-неорганические соединения) стали настоящим прорывом в солнечной энергетике. Они обладают более высоким коэффициентом поглощения света, чем кремний, их можно настраивать для улавливания лучей определенного спектра. Производить такие элементы проще и дешевле: их реально печатать на пленке и наносить на любую поверхность.
Сегодня для таких фотоэлементов чаще всего используют перовскиты на основе галогенидов свинца или олова. Именно эти материалы установили мировые рекорды эффективности, в том числе в условиях слабого освещения, и открыли путь к «безбатерейной» электронике.

Проблема оставалась в одном: такие панели быстро деградировали и теряют свои свойства уже через 80–100 часов работы. «Предотвращение или смягчение деградации остается одним из главных вызовов на пути коммерциализации перовскитов», — констатировала в прошлом году группа ученых из Национальной лаборатории ВИЭ в Голдене (США).
Исследователи из UCL утверждают, что сумели найти решение.

Под лампочкой как под солнцем

В UCL разработали сверхтонкий фотоэлемент из перовскита, показавший рекордную стабильность — более 3200 часов непрерывной работы — и феноменальную эффективность: 37,6% при искусственном свете в помещении. Это почти в шесть раз выше, чем у кремниевых аналогов.
При этом новый элемент дешевле в производстве: его не надо «выпекать» при высоких температурах. «Перовскитовые солнечные элементы особенно выгодны, — заявляет Моджтаба Абди Джалеби из команды UCL. — Они недорогие, их можно печатать буквально как газету».

Этот успех открывает широчайшие перспективы. Он позволит забыть о батарейках в маломощных устройствах: клавиатурах, пультах дистанционного управления, охранных датчиках. Это реальный путь к «безбатарейному» интернету вещей, где миллионы сенсоров и приборов работают самостоятельно, используя только слабый свет. В будущем такие элементы могут встроить в экраны смартфонов, наушники, носимые гаджеты, крыши электромобилей, уличные фонари, окна и фасады зданий, даже в одежду.

Комментарии других ученых пока сдержанны. «Текущий способ создания перовскитовых элементов подходит для лабораторий, но для крупносерийного производства он неприемлем — нужны масштабируемые процессы нанесения и контроля качества», — отмечают во Фраухоферском институте солнечной энергетики (Германия).

«Чтобы приблизить лабораторные рекорды к промышленным условиям, нужны тесты в режимах, близких к реальным», — пишет Роберт Тирават из NREL (США).

Тем не менее, если обещания UCL сбудутся, изменится не только наша повседневная жизнь — может быть совершен прорыв и в развитии солнечной энергетики в целом.