6 Minute
Celule perovskite care recuperează lumina din interior ar putea face multe dispozitive fără baterii
Cercetătorii au dezvoltat celule solare perovskite miniaturale capabile să convertească lumina ambientală interioară în energie electrică utilizabilă, cu o eficiență substanțial mai mare decât fotovoltaicele de interior convenționale pe bază de siliciu. Publicat pe 30 aprilie în Advanced Functional Materials, studiul arată că compozițiile perovskite adaptate pot capta energie în condiții tipice de iluminare de birou și pot menține performanța pe parcursul a luni de zile, deschizând o potențială cale către periferice fără baterii precum tastaturi, alarme, senzori wireless și alte dispozitive IoT cu consum redus de energie.
Context științific: de ce funcționează perovskite în interior
Perovskitele sunt o clasă de materiale cristaline aflate deja sub investigație intensă pentru energie solară, deoarece absorb eficient lumina și pot fi fabricate prin procese bazate pe soluții, cu costuri reduse. Spre deosebire de celulele convenționale pe bază de siliciu, optimizate pentru lumina puternică a soarelui, formulările perovskite pot fi ajustate pentru a absorbi lumina difuză și de intensitate mai scăzută tipică mediilor interioare. Echipa de cercetare raportează că celulele lor perovskite optimizate au atins o eficiență de conversie a puterii de 37,6% la 1.000 lux — aproximativ iluminarea unui birou bine luminat — și au fost de aproximativ șase ori mai eficiente decât celulele echivalente pe bază de siliciu în aceleași condiții interioare.
Materiale cheie și provocarea legată de performanță
O limitare a materialelor perovskite a fost prezența defectelor structurale cunoscute sub denumirea de 'traps' — imperfecțiuni minuscule în rețeaua cristalină unde purtătorii de sarcină (electroni sau goluri) devin imobilizați. Aceste 'traps' reduc atât producția electrică instantanee, cât și accelerează degradarea pe termen lung, deoarece întrerup fluxul uniform de sarcină prin material. Pentru a aborda aceste obstacole, echipa a modificat chimia perovskitei și procesarea pentru a reduce densitatea defectelor și a stabiliza componentele ionice care pot migra sau segregă în timp.
Detalii experimentale și strategii compoziționale
Pentru a diminua defectele și a îmbunătăți stabilitatea, cercetătorii au introdus o combinație de aditivi și tratamente de suprafață. Clorura de rubidiu a fost folosită pentru a promova o creștere cristalină mai uniformă, reducând densitatea locurilor cu 'traps'. Două săruri organice de amoniu — N,N-dimetiloctilamoniu iodid (DMOAI) și clorură de fenetilamoniu (PEACl) — au fost aplicate pentru a stabiliza ionii de iodură și bromură din rețeaua perovskitei, prevenind segregarea ionică care de obicei conduce la degradare. Autorii descriu aceste etape ca restabilind continuitatea în rețeaua de transport a sarcinii a materialului, un efect pe care îl compară cu reasamblarea unui tort fragmentat astfel încât sarcina electrică să poată trece mai ușor.
După aceste optimizări chimice și de procesare, dispozitivele au păstrat 92% din performanța inițială după 100 de zile de testare controlată. Un dispozitiv perovskite de control, fără măsurile de reducere a defectelor, a păstrat doar 76% din producția inițială în aceeași perioadă, demonstrând beneficiul stabilizator al noii abordări.
Implicații pentru electronice de consum și IoT
Electronicele cu consum redus reprezintă o clasă majoră și în creștere de produse care în prezent depind de baterii de unică folosință sau reîncărcabile. Coautorul studiului, Mojtaba Abdi Jalebi, profesor asociat în materiale energetice la Institute for Materials Discovery din University College London, observă că miliarde de dispozitive mici necesită întreținere frecventă a bateriilor — o practică cu costuri de mediu în creștere pe măsură ce implementările IoT se extind. Prin permiterea componentelor de a colecta energie din lumina ambientală interioară, fotovoltaicele perovskite pentru interior ar putea reduce deșeurile provenite din baterii, scădea costurile de proprietate și simplifica proiectarea dispozitivelor.
Avantajele potențiale ale tehnologiei includ costuri de fabricație reduse, utilizarea materiilor prime abundente pe Pământ și compatibilitatea cu tehnici de producție bazate pe imprimare, similare imprimării de ziare. Echipa de cercetare discută deja rute de scara și comercializare cu parteneri din industrie pentru a transpune rezultatele de laborator în produse viabile.
Tehnologii conexe și perspective viitoare
Captarea energiei în interior completează alte abordări cu filme subțiri și nanoparticule care urmăresc transformarea suprafețelor în generatoare de energie la scară mică — de la acoperiri solare ultra-subțiri pentru carcase de telefoane la filme PV îmbunătățite cu nanoparticule pentru vehicule. Combinarea celulelor perovskite de interior cu electronice eficiente din punct de vedere energetic, supercondensatori sau microstocare de energie ar putea crea dispozitive autonome care nu necesită schimburi externe de baterii. Obstacolele rămase includ stabilitatea pe termen lung în condiții reale (variații de temperatură, umiditate, solicitări mecanice) și fabricarea sigură, scalabilă, care controlează precursorii toxici sau volatili.
Perspectiva unui expert
Dr. Elena Vasquez, o cercetătoare în știința materialelor la un important institut de cercetare, a comentat semnificația studiului: 'Atingerea unei eficiențe aproape de 40% sub iluminare tipică interioară este o bornă remarcabilă. Combinația de pasivare a defectelor și stabilizare a ionilor implementată aici abordează două dintre cele mai persistente slăbiciuni ale perovskitelor: captarea sarcinii și migrația ionicǎ. Cu toate acestea, demonstrarrea fiabilității pe mai mulți ani în medii cotidiene va fi pasul decisiv înainte de a ne aștepta la o adoptare pe scară largă în electronicele de consum.'
Considerații practice și pașii următori
Chiar și cu rezultate promițătoare în laborator, rămân mai mulți pași de translație. Ambalarea dispozitivului trebuie să protejeze straturile perovskite de umezeală și deteriorare mecanică, menținând în același timp costurile scăzute. Producătorii vor trebui să evalueze impacturile ciclului de viață în comparație cu soluțiile de baterii actuale și căile de reciclare. Echipa de cercetare intenționează să optimizeze tehnicile de depunere scalabile și să urmeze parteneriate industriale pentru a pilota module în teste din lumea reală, în locuințe și birouri.
Concluzie
Noile celule solare perovskite pentru interior demonstrează o cale credibilă pentru alimentarea electronicelor mici folosind lumina ambientală din încăperi. Prin reducerea defectelor legate de 'traps' și stabilizarea componentelor ionice, cercetătorii au îmbunătățit semnificativ atât eficiența, cât și durabilitatea pe termen scurt, atingând 37,6% conversie la 1.000 lux și 92% retenție după 100 de zile. Dacă producătorii vor reuși să scaleze producția și să valideze fiabilitatea pe termen lung, fotovoltaicele de interior pe bază de perovskite ar putea deveni o soluție practică și ieftină pentru reducerea dependenței de baterii în multe dispozitive IoT și casnice.
Sursa: livescience
Comentarii