Российские исследователи создали фотоэлемент для беспроводных датчиков температуры и влажности, работающий без подзарядки. В его основе — перовскит, лёгкий, недорогой и эффективный полупроводниковый материал, используемый в солнечной энергетике. Устройство защищено тонкой полимерной оболочкой, устойчивой к кислотам, растворителям и влаге, не проводящей ток и выдерживающей высокие температуры. Такая защита делает фотоэлемент долговечным и позволяет работать даже в сложных условиях эксплуатации.
Результаты работы, выполненной при поддержке Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
Многие современные устройства работают автономно, реагируя на изменения среды. Их эффективность напрямую зависит от множества встроенных датчиков. Как правило, такие датчики питаются от обычных батареек, не подлежащих переработке. Аккумуляторы частично решают проблему, но требуют регулярной зарядки и замены. Это усложняет обслуживание, особенно тогда, когда речь идёт о сотнях или тысячах датчиков в одной системе.
Команда Сколковского института науки и технологий совместно с учёными Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» разработала альтернативу — перовскитный фотоэлемент, способный получать энергию из искусственного света и питать беспроводные сенсоры.
Чтобы продлить срок службы и защитить фотоэлемент от внешних факторов, исследователи инкапсулировали его в прочную полимерную оболочку. Для этого устройство при комнатной температуре обработали парами полимера — его микрочастицы осели на поверхности, образовав плотную плёнку. Этот процесс известен как химическое осаждение из газовой фазы (Chemical Vapor Deposition, CVD).
Метод не изменил электрические характеристики устройства — силу тока и напряжение, но при этом увеличил срок службы до 10 000 часов, что сопоставимо с временем работы одноразовых батареек, применяемых в датчиках интернета вещей.
Испытания показали, что для непрерывной работы в течение 87 часов устройству достаточно освещённости около 1000 люкс — это стандартный уровень в офисных помещениях. Если освещённость повышается до 3000 люкс и выше, фотоэлемент может работать полностью автономно, без подзарядки. Поэтому оптимальное место установки сенсора — рядом с источником искусственного света.
По словам Александры Болдыревой, кандидата химических наук и научного сотрудника Центра энергетических технологий Сколтеха: «В этой работе мы продемонстрировали, что фотоэлемент на основе перовскита при надлежащей защите от внешней среды способен эффективно выполнять функцию зарядного устройства для беспроводных датчиков. Это открывает новые возможности для применения перовскитных фотоэлементов, которые можно использовать не только для преобразования солнечной энергии, но и искусственного освещения. В дальнейшем мы планируем разработать фотоэлемент, интегрированный с суперконденсатором в виде единого устройства».
