Ученые создали солнечную батарею для питания беспроводного датчика температуры и влажности

Ученые разработали фотоэлемент для беспроводного датчика температуры и влажности, который не нуждается в подзарядке. Фотоэлемент сделан из легкого, дешевого и эффективного полупроводника — перовскита. Благодаря оболочке из устойчивого к растворителям и кислотам полимера, который не проводит ток и имеет высокую температуру плавления, фотоэлемент защищен от воздействия внешних факторов. Такое устройство потенциально сможет заменить обычные батарейки, которые вредны для окружающей среды из-за ртути, кадмия и других опасных веществ. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Physics Letters.

Многие устройства, которые мы используем в повседневной жизни, могут работать без прямого участия человека. Например, умный увлажнитель воздуха включается, когда влажность в помещении падает, а кондиционер — поддерживает необходимую температуру. Однако для работы таких приборов необходимо большое количество датчиков: в случае увлажнителя и кондиционера — датчики влажности и температуры соответственно.

Обычно для энергообеспечения таких датчиков используют обычные батарейки. Однако эти источники электрического тока вредны для окружающей среды: они содержат ртуть, свинец, кадмий и другие опасные вещества. При этом батарейки сложно перерабатывать и можно использовать только один раз, в отличие от аккумуляторов. Например, аккумуляторы смартфонов обычно выдерживают от 500 до 1000 циклов заряда, прежде чем их емкость падает. Но и у аккумуляторов есть существенный минус — их нужно регулярно заряжать: разбирать датчик, вытаскивать аккумулятор, ставить его обратно после зарядки. На замену батареек и подзарядку аккумуляторов тратится очень много ресурсов, особенно когда таких датчиков тысячи.

Исследователи из Сколковского института науки и технологий (Москва) и Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (Москва) разработали фотоэлемент, преобразующий искусственный свет в электричество, для питания беспроводного датчика температуры и влажности. Фотоэлемент сделан из перовскита — легкого, тонкого, относительно дешевого материала, который используется для создания солнечных батарей.

Чтобы защитить устройство от влаги, химических веществ и других внешних воздействий и тем самым продлить его срок службы, ученые заключили фотоэлемент в оболочку из полимера, который устойчив к растворителям и кислотам, имеет высокую температуру плавления и не проводит электрический ток. Для этого исследователи при комнатной температуре поместили фотоэлемент в пары полимера, частицы которого осели на поверхность устройства в виде тонких пленок. Такая обработка называется методом химического осаждения из газовой фазы. Этот способ не повлиял на силу тока и напряжение в устройстве. При этом авторы доказали, что такой метод инкапсуляции продлевает срок жизни фотоэлементов как минимум до 10 000 часов, что уже соизмеримо со временем работы одноразовых батареек в датчиках интернета вещей.

Испытания прототипа показали, что для бесперебойной работы до 87 часов фотоэлементу нужна освещенность помещения около 1000 люкс. Обычно в офисных зданиях освещенность, если ее измерять у поверхности рабочего стола, составляет как раз 800–1000 люкс. Чтобы устройство вообще не требовало подзарядки, нужно обеспечить освещенность 3000 люкс или выше. Такая высокая освещенность в помещениях бывает рядом с работающим источником искусственного света, поэтому исследователи рекомендуют устанавливать датчик как можно ближе к нему.

«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», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александра Болдырева, кандидат химических наук, научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха.