Молодые ученые НИТУ «МИСиС» разработали перовскитные фотопреобразователи на основе наночастиц оксида никеля для автономного питания беспроводной маломощной электроники от комнатного освещения. Инновационные фотомодули способны обеспечить энергией также фитнес-трекеры, умные часы и наушники.

Результаты работы опубликованы в международном журнале Solar Energy Materials and Solar Cells.

Быстрорастущий рынок беспроводных устройств для интернета вещей, таких как датчики температуры, давления, влажности, движения, света, требует автономных источников энергии с низким энергопотреблением (мощность ~ мкВт).

Решением проблемы может стать компактная внутренняя фотоэлектрическая батарейка, которая сможет обеспечивать энергией при стандартной интенсивности света 200–1000 люкс, создаваемой искусственными источниками света, такими как светодиоды и галогенные лампы. Кремниевые солнечные батареи с такой задачей не справятся, поскольку их «работоспособность» зависит от прямого солнечного света, и при комнатном освещении их КПД снижается в 5 раз.

Текущий рекорд для освещения слабой интенсивности (200–400 люкс) поставлен новым поколением батареек на основе планарных перовскитных фотоэлементов, изготовленных из оксида олова. Основной их недостаток – снижение значения максимальной мощности, извлекаемой при непрерывной работе фотоэлемента.

Команда молодых ученых лаборатории «Перспективная солнечная энергетика» НИТУ «МИСиС» предложила в качестве решения проблемы перевернутую конфигурацию фотомодуля с использованием наночастиц оксида никеля.

«В этой работе мы показываем, что перовскитные солнечные элементы могут быть реализованы в инвертированной (перевернутой) конфигурации с использованием NiO в качестве материала для переноса дырок. Для создания модулей на основе NiO мы использовали обычный высокотемпературный (300°C) и низкотемпературный (<100°C) процессы. Плотность мощности 36,5 мкВт/см² была достигнута для сплошного слоя NiO, в то время как 28,4 мкВт/см² было получено с ячеек со слоем из наночастиц NiO при стандартной освещенности любого офиса – 400 люкс. Полученной мощности хватит для мелких датчиков и даже для наушников и беспроводной клавиатуры», – рассказала один из авторов исследования, научный сотрудник лаборатории «Перспективная солнечная энергетика» НИТУ «МИСиС» Татьяна Комаричева.

По словам разработчиков, помимо разницы в плотности мощности, наночастицы NiO позволили создать первый низкотемпературный неорганический слой, транспортирующий положительные носители заряда для перовскитного солнечного элемента с низким уровнем освещенности, и, как мы показываем, его можно легко масштабировать до 1 см² без потери производительности.

«Полученный прототип площадью 5 см² позволил обеспечить энергией беспроводной Bluetooth Low Energy (BLE) датчика, предназначенного для передачи данных о температуре/давлении/влажности в помещении», – добавила Татьяна Комаричева.

Помимо устройств интернета вещей, новые фотомодули можно будет использовать для питания «умных» банковских карт, пультов управления бытовой техникой, компьютерных мышей и клавиатур, маломощной техники типа кухонных весов, а также носимой электроники. В настоящее время коллектив разработчиков продолжает лабораторные испытания созданных прототипов.