Окно-светильник: в России создан революционный способ энергосбережения
Российские ученые создали устройство, которое одновременно работает как солнечный элемент и источник света. Новые светодиоды с функцией подзарядки от солнца обладают размерами, позволяющими разместить их на стеклах с помощью специальной пленки. Предполагается, что днем они будут вырабатывать электричество, а в вечернее и ночное время станут служить в качестве элементов освещения. Инновационная продукция будет доступна для потребителей через 3–5 лет.
Отказались от кремния
Ученые Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики первыми в России удачно совместили солнечный элемент и светодиод в одном бифункциональном устройстве. Оно способно вырабатывать электроэнергию и служить источником света. Чтобы справиться с этой задачей, специалисты использовали материал перовскит, который считается одним из наиболее перспективных для применения в электронике будущего.
— В своей работе мы отказались от традиционного для солнечных батарей кремния, поскольку он является плохим излучателем и не подходит для генерации света, — отметил руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники НИУ ИТМО Сергей Макаров. — В итоге ставка была сделана на перовскит, который одинаково хорошо подходит для выполнения обеих функций нашей техники.
К тому же перовскит на порядок дешевле кремния. Ценовой доступности производителям удается достигнуть благодаря простоте его синтеза. К сожалению, техника на перовскитовых элементах пока уступает традиционным вариантам по продолжительности работы, которая составляет всего около года (после этого срока происходит сильное падение ее эффективности). Однако этот недостаток возможно компенсировать за счет низкой стоимости.
Например, одним из наиболее перспективных продуктов для использования новых бифункциональных устройств являются стекольные пленки, которые будут вырабатывать электроэнергию в дневное время и использовать ее вечером и ночью для освещения квартир и домов. Пленку при этом можно сделать удобной для нанесения, и тогда по истечении срока годности пользователь сможет легко отклеить ее от стекла и заменить на новую. По словам разработчиков, при такой «философии» использования стекольного покрытия затраты на его приобретение будут полностью окупаться за счет экономии традиционной электроэнергии.
— Новая пленка будет состоять из слоя электронных элементов, нанесенного на полимерную подложку, которая обеспечит ей высокую гибкость, — поясняет Сергей Макаров. — Максимальная общая толщина пленки не будет превышать 3 мкм (толщина человеческого волоса составляет от 40 до 120 мкм. — Прим. «Известия») — это позволит сохранить прозрачность стекол.
Включить и выключить солнце
Максимальная яркость светящихся окон будет составлять не менее 100 кандел (или свечей) на квадратный метр, а величина накопленного заряда позволит использовать их как основной источник освещения в течение нескольких часов либо весь вечер — в качестве дополнительных источников света и элементов декора. Светящееся окно можно будет включить и выключить в любое время, а яркость — отрегулировать по своему желанию. Целевой аудиторией нового продукта, вероятнее всего, станут жители южных регионов России, где длительность и интенсивность солнечного излучения максимальны.
Инженер лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ «МИСиС» Данила Саранин считает, что использованная разработчиками формула металлоорганического перовскита хороша для демонстрационного прототипа устройства, однако для его доведения до состояния, пригодного для серийных изделий (в частности, стекольных пленок), нужно будет подобрать более оптимальный тип данного материала с точки зрения стабильности работы. По его словам, эта проблема уже близка к своему разрешению.
— Движение в сторону повышения надежности функционирования перовскитных элементов сейчас происходит даже активнее, чем это было в случае с органическими диодами, время работы которых в момент их появления ограничивалось несколькими секундами. Сегодня же эти микроустройства используются в экранах, которые могут служить несколько лет, — отметил эксперт.
Оконные пленки — это далеко не единственная сфера применения новых бифункциональных устройств. В частности, после решения проблемы ограниченного срока работы их планируется использовать в дисплеях портативных устройств, поскольку перовскитные диоды обладают отличной цветопередачей и превосходят по этому показателю элементы существующих LED-экранов. Такая техника будет обладать функцией подзарядки от рассеянного света, и ее использование может стать новым этапом в развитии энергосберегающих технологий.
— Одно из главных преимуществ перовскита — повышение эффективности работы солнечного элемента в условиях внутреннего освещения. Это свойство частично компенсирует естественное уменьшение мощности устройства, которое происходит при прекращении воздействия прямых лучей, что должно сделать новую технику более универсальной при практическом использовании, — считает Данила Саранин.
В настоящее время проект НИУ ИТМО находится в стадии поиска индустриальных партнеров для применения новых устройств при создании промышленной продукции. По оценке разработчиков, инновационные стекольные пленки будут доступны в магазинах уже через 3–5 лет.
