В последние годы стремительное развитие интернета вещей требует надежных способов энергоснабжения многочисленных датчиков, обеспечивающих управление условиями окружающей среды. Российские ученые из Сколковского института науки и технологий и Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» при поддержке Российского научного фонда (РНФ) создали уникальное решение — энергонезависимый фотоэлемент на основе перовскита для беспроводного датчика температуры и влажности. Это инновационное устройство имеет потенциал революционизировать подход к автономной работе бытовой и промышленной электроники, минимизируя вред для природы и повышая удобство использования.
Почему необходимы новые решения для питания датчиков
Современные интеллектуальные устройства, такие как автоматические увлажнители воздуха и климатические установки, зависят от точной работы сотен и даже тысяч датчиков температуры и влажности. Традиционно их питание осуществляется от стандартных батареек, содержащих вредные для окружающей среды вещества — ртуть, кадмий, свинец. Кроме того, такие элементы питания сложно поддаются переработке и быстро приходят в негодность, что ведет к постоянным затратам и усложняет техническое обслуживание, особенно при больших масштабах развертывания датчиков. Аккумуляторы хоть и допускают многократную зарядку, все равно требуют регулярного обслуживания, что снижает общую эффективность систем автоматизации.
Преимущества перовскитных фотоэлементов
Исследовательская команда сконцентрировалась на разработке фотоэлемента, способного преобразовывать как солнечный, так и искусственный свет в электрическую энергию. Основой для инновационного фотоэлемента выбран перовскит — легкий, гибкий, доступный по стоимости и эффективный semiconductor, который уже демонстрирует отличные характеристики в солнечных батареях нового поколения. Использование перовскитов не только упрощает производство и делает его менее затратным, но и позволяет создавать более тонкие и легкие устройства, чем стандартные кремниевые панели.
Чтобы обеспечить долговечность и надежную работу фотоэлемента в различных условиях, его покрыли специальной полимерной оболочкой, устойчивой к воздействию химических агентов и влаги, а также способной выдерживать высокие температуры. Этот инновационный полимер не проводит ток, что гарантирует изоляцию фотоэлемента от агрессивной внешней среды и увеличивает срок эксплуатации всего устройства.
Технология производства и особенности конструкции
В процессе производства ученые применили метод химического осаждения из газовой фазы. При комнатной температуре пары полимера равномерно оседают на поверхности фотоэлемента, образуя тонкую, но надежную защитную пленку. Этот способ абсолютно безопасен для работы собственно фотоэлемента, так как не влияет на его электрические параметры — силу тока и напряжение. Благодаря новой технологии инкапсуляции был подтвержден срок службы фотоэлементов не менее 10 000 часов — этот показатель позволяет серьезно конкурировать с одноразовыми батарейками, применяемыми в датчиках для интернета вещей. Такой срок работы особенно важен для устройств, расположенных в труднодоступных местах или требующих минимального обслуживания.
Результаты испытаний и рекомендации по использованию
Созданный прототип прошёл серию испытаний в условиях, моделирующих привычные офисные и бытовые пространства. Исследования показали, что для стабильной работы фотоэлемента в течение 87 часов требуется освещенность около 1000 люкс — именно такую интенсивность света чаще всего можно встретить над рабочими поверхностями в современных офисах. Для полного самодостаточного функционирования устройства необходимо достичь освещенности в 3000 люкс и более, что вполне возможно при непосредственной близости к источнику искусственного освещения. Ученые советуют монтировать датчики максимально близко к лампам, что позволяет обеспечить постоянный приток энергии и отказаться от подзарядки или замены источников тока надолго.
Такая система полностью вписывается в концепцию «умных» зданий и инфраструктуры будущего, где чувствительные датчики способны работать годы без вмешательства человека, а энергоснабжение осуществляется экологически чистым способом без создания дополнительных отходов.
Экологические выгоды и перспективы внедрения
Важнейшим преимуществом новых перовскитных фотоэлементов становится их экологическая безопасность. В отличие от обычных батареек и аккумуляторов, инновационные элементы не содержат вредных металлов и абсолютно безопасны на всех этапах жизненного цикла. Это идеальное решение для компаний, внедряющих системы мониторинга и управления в рамках «зеленых» стандартов, а также для регионов, остро реагирующих на вопросы загрязнения окружающей среды.
Благодаря применению недорогих и легкодоступных материалов, себестоимость изготовления таких датчиков остается на низком уровне, что обеспечивает массовое внедрение технологии не только в промышленности, но и в бытовых устройствах — от «умного» дома до сложных производственных комплексов. Поддержка проекта Российским научным фондом (РНФ) служит примером эффективного синтеза государственной поддержки науки, высшего образования и прикладных разработок.
Будущее перовскитных технологий: от фотоэлементов к мультиустройствам
Появление перовскитных фотоэлементов уже сегодня открывает новые горизонты для развития беспроводных и энергонезависимых систем управления. Как отмечают авторы проекта, дальнейшие исследования направлены на создание интегрированных устройств, в которых фотоэлемент будет совмещён с суперконденсатором, что позволит накапливать энергию для выдачи дополнительных импульсов мощности. Разработка таких композитных систем — следующий этап, после которого датчики станут еще более универсальными и независимыми от регулярного обслуживания.
Междисциплинарная команда с большим энтузиазмом смотрит на перспективы масштабирования технологии на другие группы датчиков и интеллектуальных систем. Переход к энергонезависимым решениям означает не только облегчение эксплуатации современных умных устройств, но и значительный шаг вперед на пути к устойчивому развитию глобальных техносистем. Новые перовскитные решения, разработанные в тесном сотрудничестве ведущих российских научных институтов, способны сделать мир чище, технологичнее и удобнее для каждого.
Источник: indicator.ru
