Внутренний свет как вопрос фотоэлектрики.

Когда-нибудь внутреннее освещение сможет питать интеллектуальные устройства, но традиционные материалы для солнечных батарей не обязательно являются лучшим вариантом. Источник.

С развитием технологий, множество обыденных рутинных задач получают нетривиальные автоматические решения. Наши дома могут быть полны устройств, облегчающих быт, которыми можно управлять хоть голосом, хоть со смартфона. Даже не будучи дома ‒ достаточно стабильного подключения к всемирной паутине ‒ мы можем командовать всем нашим технопарком ‒ чайником, системами безопасности, орошения, роботом-пылесосом и прочими «умными» штуками.

Так называемый Интернет вещей позволяет настроить работу всего оснащения нашего умного дома, но вместе с этим возникает необходимость реконструировать электрические сети. Появляются связки сигнальных и питающих шнуров, которые собирают пыль и как будто специально запутываются в коконы; нужно следить за зарядом батарей у изолированных от сети устройств. В общем, прогресс ‒ тот ещё франт, жертв требует не меньше, чем красота. 

Казалось бы: мы уже умеем направлять солнце в провода и даже напрямую в какие-то устройства, так что же нам мешает запитать гаджеты умного дома от внутреннего освещения наших домов? Оказывается, очень многое. Решение этой задачи оказалось настолько неочевидным, что пришлось буквально заново подбирать материалы для изготовления подходящих аналогов солнечных панелей. Зато теперь исследователи, работающие в журнале ACS Applied Energy Materials, представили готовую технологию сбора света в помещении для питания интеллектуальных устройств. Они показали, какие именно фотоэлектрические (PV) системы лучше всего работают при самом распространённом типе внутреннего освещения на холодных белых светодиодах.

Несмотря на то, что учёные нашли способы заставить фотоэлектрические панели собирать энергию солнечного света, они никак не подходят для выработки тока из интерьерного освещения. Дело в том, что искусственный свет очень отличается от естественного: лампочки не только многократно тусклее солнца, но ещё и светят куда более узкой областью спектра, в то время как солнечное излучение помимо видимого света включает в себя ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны.

При всём этом попытки создать «лампочные» панели не прекращались. Некоторые фотоэлектрические материалы следующего поколения ‒ в том числе перовскитные минералы и органические плёнки ‒ были протестированы при освещении помещений, но рейтинг их эффективности в преобразовании искусственного света в электричество до сих пор оставался неясен. Дело в том, что во многих разрозненных исследованиях фотоэлектрических систем, изготовленных из разных материалов, используются различные типы освещения. Команды учёных работали замкнуто, и на эту очевидную недоработку почему-то просто не обращали внимания. Итак, Ули Вюрфель и его коллеги сравнили ряд различных фотоэлектрических технологий при одном и том же типе внутреннего освещения.

Исследователи получили восемь типов фотоэлектрических устройств: от традиционного аморфного кремния до тонкоплёночных технологий, таких как сенсибилизированные красителем солнечные элементы. Они измерили способность каждого материала преобразовывать свет в электричество сначала под искусственным солнечным, а затем под холодным белым светодиодным светом.

По итогам испытаний оказалось, что наибольшую эффективность при освещении в помещении показали фотоэлектрические элементы на основе фосфида галлия и индия. Их КПД преобразования световой энергии в электричество подобрался к 40%. Однако, как и ожидали исследователи, под солнечным светом успехи содержащего галлий материала оказались весьма скромными, что связано с его большой запрещённой зоной.

Полным оппонентом «комнатного героя» выступил кристаллический кремний. Этот материал продемонстрировал лучшую эффективность при естественном свете, но был довольно средним при искусственном.

Правда однозначно говорить о прекрасных перспективах фосфида галлия-индия для наших умных домов пока не приходится. Он не просто так не распространён в фотоэлектрических элементах, хоть авторы исследования и без тени лукавства указывают на его потенциал за пределами солнечной энергетики. Однако они же добавляют, что галлийсодержащие материалы, при всех их достоинствах, дороги и не могут служить жизнеспособным массовым продуктом для питания систем интернета вещей. 

А вот фотоэлементы из перовскита и органической плёнки, о которых мы говорили ранее, напротив, имеют преимущества в цене и стабильности в условиях внутреннего освещения. Кроме того, в ходе тестов было определено, что часть поглощаемой и вырабатываемой энергии рассеивается, уходя на производство тепла, а не электроснабжение. Эти данные, конечно, помогут в дальнейшем оптимизировать будущие фотоэлектрические системы для питания домашних устройств, но это темы других, сопутствующих исследований. Пока же можно констатировать, что сейчас говорить о фундаментальном решении вопроса питания гаджетов от искусственного света всё ещё рано. И несмотря на то, что самый подходящий для этого материал, похоже, найден, но использовать его мы всё-таки не можем, греет понимание, что такое положение вещей справедливо только на сегодня. Впереди новые открытия, новые разработки, и эта задача тоже будет решена. Причём, как обычно бывает у наук, далеко не единожды и множеством интересных способов.

АРМК, по материалам ACS.