- Иновативен нанофилм върху слънчеви клетки от Севиля може да захранва сензори в облачни дни и през нощта
- Трибоелектрична наногенерация от Сингапур обещава ток от капки
Край на драмата с облаците, които пречат на слънчевите панели да произвеждат ток! Испански учени от Лабораторията за нанотехнологии за повърхности и плазма в Института по материалознание в Севиля (ICMS) измислиха как панелите да генерират електричество дори когато вали проливен дъжд. Авангардната технология е описана в научния журнал Nano Energy.
Засега иновацията може да обслужва минипроекти, но технологията дава надежда един ден да се мисли за по-големи фотоволтаични системи.
Тайната се състои в ултратънък филм с дебелина само 100 нанометра, положен върху перовскитни слънчеви панели - нова модификация, която използва кристални материали. Перовскитът, който доби особена популярност в последните години, е по-ефективен от силиция заради способността да абсорбира по-добре различни дължини на вълните на слънчевата светлина. Допълнителният плюс, който добавя сегашната иновация, прави панела с перовскит още по-авангарден – не само да използва светлината, когато времето е слънчево, но да генерира кинетична енергия, когато вали пороен дъжд.
Идеята на иновационния хибриден фотоволтаик е да използва т. нар. трибоелектричен ефект - физическо явление, при което
материалите се наелектризират чрез триене или контакт
Когато дъждовните капки паднат върху панела и се плъзнат по специално обработената повърхност, те ще създават триене, което да се преобразува в електричество.
Ако всичко е толкова просто, защо тези предимства на физиката не са използвани и досега, питат се мнозина. Още повече че халогенидните перовскити са дори по-евтини за производство от силиция – ключова съставка във фотоволтаиците.
Една от причините е чувствителността на перовскитите към влага и други екстремни фактори в околната среда. Как тогава точно те се оказват в основата на новото “дъждовно” решение за производство на ток?
За да отгледат защитен флуориран полимерен слой върху слънчевата клетка, испанските иноватори решават да използват техника, наречена плазмено усилено химическо отлагане от пари (PECVD). Това става при стайна температура и без допълнителни химикали, за да не се увреждат чувствителните слоеве на слънчевата клетка по време на нанасянето.
Когато успяват да постигнат това, учените установяват, че 100-нанометрово покритие изпълнява тройна функция. От една страна, действа като щит, увеличавайки ъгъла на контакт с водата, което удвоява устойчивостта на слънчевата клетка на влага. От друга страна, намалява отражението и увеличава прозрачността на светлината, като помага на клетката да абсорбира повече слънчева светлина. Третият ефект е, че плъзгането и триенето на дъждовните капки създава електрически потенциал.
При тестовете капсулираните клетки успели да запазят над 50% от първоначалната си ефективност дори след 10 дни излагане на висока топлина и влажност. В друг тест, който включвал потапяне във вода, хибридното устройство запазило производителността си повече от 15 минути. Така нещо, което може да е започнало като усъвършенстване на перовскитната фотоволтаична технология, всъщност завършва с допълнителна система за генериране на енергия.
Иноваторите признават, че
засега мощността на тока, който може да се произведе от такъв хибриден панел, е сравнително ниска -
около 4 миливата на квадратен сантиметър. Затова технологията все още не може да замени масивните силициеви панели. Затова пък носи потенциал да захранва нискоенергийни електронни продукти, каквито например могат да бъдат сензори за наблюдение, особено в отдалечени, изолирани или недостъпни райони. Много от тях се нуждаят от минимално захранване през нощта или в облачни дни. Ако тези или други учени успеят да усъвършенстват разработката си, нищо чудно дъждът също да стане мощен бъдещ източник на ток.
Това не е първият път, в който учени обмислят как да правят ток от дъжд. И изследователи от Сингапур описаха неотдавна в научния журнал ACS Central Science своята визия за превръщане на падащата вода в електричество, като използват тясна пластмасова тръба. “Потокът, който пада по милиметрова тръба, генерира електричество с висока ефективност – около 5 пъти повече от непрекъснатия поток, както и повече от други технологии, които ползват падаща вода”, съобщават учените в изданието на американското химично общество (American Chemical Society). Според тях потокът от вода задейства уникална междуфазова химия с голям химичен потенциал.
“Не говорим за водопади или язовири”, уточнява Сиоулинг Сох, експерт по материалознание в Националния университет на Сингапур и старши автор на изследването. Той обяснява, че става дума за специфичен модел на воден поток, наречен запушен поток, който заобикаля една от най-упоритите бариери на електрохимията и потенциално
отключва нов начин за производство на чисто електричество от дъжд
Методът е сравнително прост, затова изглежда странно, че никой не се е сетил преди. Науката зад това генериране на енергия е така наречената контактна електрификация - когато два материала се докоснат, повърхностите им обменят електрически заряди. В този случай, когато водата се плъзга, се случва подобен обмен на заряд.
За да докажат тезата си, Сох и колегите му изстреляли малки капчици вода в тръба с ширина само 2 мм и дължина 32 см. Вместо да образуват непрекъснат поток, капчиците се подредили, разделени от въздушни джобове. Това ритмично движение, наречено “запушен поток”, създало идеални условия за натрупването на противоположни заряди. Проводници в горната и долната част събирали полученото електричество. Изследователите нарекли инсталацията “падаща дъждовна батерия”.
За физиците отдавна не е тайна, че минимално електричество може да възникне, когато водата докосне твърда повърхност. Границата между течност и твърдо тяло спонтанно разделя положителните и отрицателните заряди. Този процес създава т. нар. двоен електрически слой.
Има обаче една уловка. Мястото, където се случва това - така наречената Дебаева дължина, е толкова малка – от няколко нанометра до няколко микрона – че трудно може да се отчете.
Това силно ограничава събрания заряд. В резултат на това така наречените устройства със струен ток, които разчитат на тази граница, обикновено произвеждат незначителна мощност.
Учените обаче показаха, че когато водата тече на отделни и отделени от въздуха струи, а не непрекъснато, тя може да заобиколи това Дебаевото ограничение и да постигне плътност на мощността около 100 вата на квадратен метър. Изглежда незначително, но достатъчно да захранва с чиста възобновяема енергия няколко крушки или малки отдалечени сензори само от движението, а не от силата на водата. Установката, казват те, може да превърне нещо като дъждовните води в източник на чиста, възобновяема енергия – достатъчно, за да запали дузина малки крушки.
Проучването е част от една новоразвиваща се сфера на знанието - трибоелектрична наногенерация. Изследователи по цял свят проучват как триенето, огъване или други процеси, като падането на дъждовната вода, могат да генерират енергия.
Екипът на Сох направил тестове с всякаква вода - от чешмата, солена, гореща, студена, и с радост открил, не само че тезата им се потвърждава, но и че истинският дъжд може да генерира дори повече енегия, защото дъждовните капки имат по-висока крайна скорост.
“Дъждът е изобилен и безплатен. Трябва просто да намерим по-добри начини да го използваме”, каза Сох.
