Команда из Стэнфорда использовала топологию, вдохновленную насекомыми, для защиты хрупкого фотоэлектрического материала, называемого перовскитом, от деградации под действием тепла, влажности и механических напряжений.
Новое поколение «продвинутых» фотоэлектрических элементов можно получить, упаковав небольшие солнечные батареи с микролинзами в гексагональную структуру, как глаз у насекомого. По крайней мере, так утверждает группа исследователей из Стэнфордского университета.
Команда из Стэнфорда использовала топологию, вдохновленную насекомыми, для защиты хрупкого фотоэлектрического материала, называемого перовскитом, от деградации под действием тепла, влажности и механических напряжений.
Составная солнечная батарея, освещенная снизу. В областях, покрытых серебряным электродом, видна гексагональная структура. Инновационный дизайн, как надеются ученые, поможет преодолеть основные препятствия для использования перовскита в фотоэлектрических элементах.
Источник: Стэнфордский университет.
«Перовскиты - многообещающий, недорогой класс материалов, которые преобразуют солнечный свет в электричество так же эффективно, как обычные солнечные батареи из кремния», - рассказывает Рейнхольд Даускардт (Reinhold Dauskardt), профессор материаловедения и конструирования и первый автор исследования. - «Проблема в том, что перовскиты чрезвычайно неустойчивы и механически непрочны. Они с трудом переносят процесс производства, не говоря уже о долговечности в окружающей среде».
Подавляющее большинство солнечных батарей имеет плоскую, или планарную, конструкцию. Этот подход не работает с перовскитными солнечными батареями.
«Перовскиты - самые хрупкие материалы, которые когда-либо испытывались в истории нашей лаборатории», - добавил выпускник Николас Ролстон (Nicholas Rolston), соавтор статьи. - «Эта хрупкость является следствием ломкой солеподобной кристаллической структуры перовскита, которая обладает механическими свойствами, идентичными поваренной соли».
Решение проблемы с долговечностью исследователи нашли у природы.
«Мы были вдохновлены составным глазом мухи, который состоит из сотен крошечных сегментированных глаз», - подробнее рассказывает Даускардт. - «Он имеет красивую сотовидную форму и обладает функциональной избыточностью: если вы потеряете один сегмент, будут действовать сотни других. Каждый сегмент очень хрупкий, но он укреплен окружающей несущей конструкцией».
Исследователи использовали составной глаз как модель и создали составную солнечную батарею, представляющую собой гексагональную структуру из множества перовскитных микроэлементов. Каждый микроэлемент инкапсулирован в шестиугольник с шириной всего 0,5 мм.
Несущая конструкция в составном солнечном элементе, заполненном перовскитом после испытаний на разрыв.
Image credit: Dauskardt Lab/Stanford University
«Несущая конструкция сделана из недорогой эпоксидной смолы, широко используемой в микроэлектронике», - добавил Ролстон. - «Она обладает упругостью к механическим нагрузкам и, таким образом, придает устойчивость к разрушению».
Испытания, проведенные в ходе исследования, показали, что несущая конструкция мало влияет на способность перовскита превращать свет в электричество.
«Мы получили почти такую же эффективность генерации на каждую маленькую перовскитную ячейку, которую мы получили бы от аналогичной плоской солнечной батареи», - подвел итог Даускардт. - «Таким образом, мы достигли огромного увеличения устойчивости к разрушению без потери эффективности».
Сейчас ученые исследуют долговечность своего изобретения. В пилотных испытаниях они подвергают перовскитовую солнечную панель воздействию температуры 85 °C и 85 %-ной влажности в течение шести недель. В начале испытаний батарея продолжала генерировать электричество с относительно высокой эффективностью даже в этих экстремальных условиях.
Даускардт и его коллеги подали патент на новую технологию. Чтобы повысить эффективность, они также ищут способы отражения света от несущей конструкции в перовскитовую основу каждой ячейки.
Научная статья об этом исследовании была опубликована в журнале «Energy & Environmental Science».
Источник: http://news.stanford.edu/2017/08/31/new-solar-cell-inspired-insect-eyes/