Фотовольты рождаются в тени

SEG-генераторы могут быть дешевле и эффективнее стандартных солнечных батарей. Фото Reuters

Тени вездесущи: нередко мы не только недооцениваем их пользу, но и стремимся их избегать. Это касается прежде всего производства электроэнергии за счет солнечных панелей. Ведь традиционные установки нуждаются в постоянном и стабильном источнике света. Тени снижают эффективность работы фотоэлементов. Вне зоны прямых солнечных лучей производительность обычно падает приблизительно вдвое. В быту такая ситуация может происходить при попадании теней от деревьев на крышу дома, где установлены солнечные панели.

Профессор материаловедения из Национального института Сингапура Тан Сви Чинг рассказал, что устройство SEG позволяет производить экологически чистую энергию даже в помещениях, лишенных прямого солнечного света. Команда из шести исследователей потратила четыре месяца на разработку концепта SEG и его реализацию.

В дальнейшем они планируют продолжить эксперименты с различными материалами – в частности, ученые рассчитывают найти альтернативу золоту в качестве электропроводного компонента устройства. В первую очередь это необходимо для снижения себестоимости производства с целью коммерческой реализации устройства в будущем. Кроме того, ученые Национального института Сингапура рассчитывают продолжить работу над созданием автономного сенсора движения с расширенным функциональным спектром, а также не исключают возможности развития серии носимых устройств, которые можно будет размещать на одежде и генерировать электроэнергию, занимаясь повседневными делами.

С каждым годом нас окружает все больше мобильных электронных девайсов: смартфонов, смарт-часов, смарт-очков и т.д. Все они нуждаются в эффективном и стабильном источнике энергии, который можно использовать как в помещении, так и на улице. На современном рынке давно существуют портативные солнечные аккумуляторы, однако их производительность оставляет желать лучшего. К тому же их КПД резко падает в домашних условиях, где практически невозможно избежать появления теней.

Технологии, подобные SEG, могут значительно усовершенствовать эксплуатационную гибкость карманных электронных девайсов, сделав их менее зависимыми от стационарных зарядных станций и даже от портативных аккумуляторов.

В основе этого концепта лежит идея использования контраста между освещенными и затененными областями устройства. Разница между светом и тенью создает разность вольтажа, что приводит к появлению электрического тока. SEG-генератор на теневом эффекте (Shadow-Effect Energy Generator) описан в статье, которая опубликована в издании Energy & Environmental Science.

По сути дела, в основе работы SEG-генератора лежит разность потенциалов между участками устройства, которые находятся на свету и в тени соответственно. Благодаря этой разности и возникает электрический ток. SEG представляет собой решетку фотоэлементов, размещенных на прозрачной эластичной полимерной пленке. В основе каждого элемента лежит кремниевая подложка, на которую нанесен тончайший слой золота в 15 нанометров. Когда все устройство находится под прямыми солнечными лучами или в тени, оно практически не производит электричества. Активная генерация энергии начинается при частичном освещении. По словам профессора Чинга, наиболее оптимальной комбинацией освещенности является соотношение 1:1. Таким образом, SEG имеет достаточно площади для создания максимально эффективного заряда.

Несмотря на использование золота в конструкции, разработчики утверждают, что SEG-генератор будет заметно дешевле «классических» солнечных батарей.

Кроме того, оказалось, что в условиях переменной освещенности он даже эффективнее. В рамках лабораторных испытаний исследователи сравнили производительность SEG и стандартной коммерческой солнечной панели. При условии искусственного освещения с подвижными тенями установка из 8 миниатюрных (4 см в длину и 2 см в ширину, то есть немного больше почтовой марки) генераторов энергии на базе теневого оптического эффекта показала себя в два раза лучше конкурента, если сравнивать по объему выработанной энергии на квадратный сантиметр устройства. Энергии, полученной в режиме низкой интенсивности освещения, хватило для питания цифровых часов даже при небольших габаритах генератора.

Прототип, созданный командой ученых, выдал напряжение в 1,2 В. Это не слишком много, учитывая, что для подзарядки мобильного телефона надо как минимум 5 В. Авторы проекта обещают увеличить его эффективность, но до коммерческого использования еще далеко.

Интересно, что SEG-генератор также может выполнять функцию датчика движения: он способен реагировать на перемещения объектов, которые отбрасывают тень на прибор.

Размещенный в коридоре со стабильным освещением, SEG будет производить относительно малое количество электричества. Однако приближение подвижного объекта создаст разность освещения, которая мгновенно отразится на производительности генерации энергии. Именно эти изменения станут сигналом для системы безопасности. Такой вариант применения новинки подтвердил еще один лабораторный тест. Когда мимо устройства проезжала игрушечная радиоуправляемая машинка и отбрасывала на него тень, генератор запускался. В результате загорался подключенный к нему светодиод.