Глаза насекомых плюс редкий минерал: учёные разработали новые солнечные панели

Фасеточные глаза насекомых помогли учёным придумать, как защитить новые хрупкие солнечные элементы.
Фото Meli1670/pixabay.com.

Если внимательно осмотреться вокруг, можно заметить, как много гениального создано природой. Учёным остаётся лишь изучать её творения и адаптировать свои открытия для практического применения.

Например, насекомые помогают инженерам конструировать беспилотники, которые продолжают полёт даже после поломки. Кроме того, уникальные глаза насекомых вдохновили учёных на создание особой антибликовой плёнки.

Новое исследование команды из Стэнфордского университета также основано на изучении глаз насекомых. Но и без физики не обошлось.

Исследователи занимались разработкой новых солнечных панелей из хрупкого фотовольтаического вещества (то есть под действием света в нём возникает напряжение или электрический ток). Этот недорогой и перспективный для альтернативной энергетики материал называется перовскит (титанат кальция, сравнительно редкий для поверхности Земли минерал). Он преобразует солнечный свет в электричество так же эффективно, как самые распространённые сегодня солнечные элементы из кремния.

Но есть одна проблема: при воздействии тепла, влаги или при любом механическом напряжении свойства перовскита значительно ухудшаются, а то и совсем утрачиваются. Если чувствительный материал не будет защищён от воздействий внешней среды, о долговечности работы прибора на его основе можно забыть, поясняет ведущий автор работы профессор Рейнхольд Даускардт (Reinhold Dauskardt).

"Перовскиты – самые хрупкие материалы, которые когда-либо исследовались в нашей лаборатории, – рассказывает соавтор исследования Николас Ролстон (Nicholas Rolston). – Эта хрупкость связана с кристаллической структурой перовскита, которая обладает механическими свойствами как у поваренной соли".

И вот тут на помощь пришли насекомые. Напомним, что их фасеточные глаза состоят их множества мельчайших сегментов и по структуре напоминают пчелиные соты. При этом конусообразные структурные единицы – омматидии – тесно прилегают друг к другу, а от повреждений их защищают стенки "сот".

Эту модель учёные использовали для создания новых солнечных панелей, состоящих из ячеек. Каждая такая "сота" из перовскитных микроэлементов была инкапсулирована в шестиугольный защитный каркас шириной 500 микрометров.

"Каркас панели изготовлен из недорогой эпоксидной смолы, широко используемой в микроэлектронике. Он устойчив к механическим нагрузкам и разрушению", — поясняет Ролстон.

Как показало тестирование новых солнечных панелей, такие каркасы, поддерживающие и защищающие элементы, никак не влияют на эффективность работы перовскитных составляющих.

"Мы получили почти такую же эффективность преобразования энергии от каждой маленькой перовскитной ячейки, которую мы получили бы от плоской солнечной батареи", — отмечает Даускардт.

Но может ли новое устройство противостоять теплу и влажности, которые выдерживают обычные солнечные панели, как правило, располагающиеся на крыше строений?

Чтобы выяснить это, команда провела ещё одно испытание: инкапсулированные перовскитные панели в течение шести недель работали при температуре 85 градусов по Цельсию и влажности воздуха 85%. И, несмотря на такие экстремальные условия, они продолжали генерировать электроэнергию с хорошим выходом.

Даускардт и его коллеги получают патент на свою технологию и продолжают исследования. Учёные намерены повысить эффективность новых солнечных панелей, для чего изучают различные механизмы отражения света от каркаса в перовскитное ядро каждой ячейки.

Научная статья с описанием перовскитных солнечных батарей опубликована в издании Energy & Environmental Science.

Напомним, что ранее солнечные панели заставили генерировать энергию в дождь.

Кстати, этот источник "зелёной" энергии набирает всё большую популярность: после легендарного сонцелёта, совершившего кругосветное путешествие, повторить рекорд – теперь на воде – отправилось первое судно на солнечных батареях.

Сегодня