Энергия тёмной стороны

«Нас окружают тени. Однако никакого особого технического решения для их использования до сих пор придумано не было. Мы представляем генератор энергии, основанный на эффекте тени (shadow-effect energy generator (SEG), который способен «утилизировать» световой контраст, возникающий на устройстве от теней, и превращать его в электрический ток», – так начинается статья в научном журнале Energy and Environmental Science, опубликованная накануне группой физиков из Национального университета Сингапура.

Работа на контрасте

Внешне SEG напоминает обычный фотоэлектрический элемент. Несколько гибких ячеек, каждая представляет собой тончайшую (15 нанометров) золотую плёнку, нанесённую на кремниевую пластину, и всё это закреплено на гибкой и прозрачной пластиковой плёнке.

Объёмное изображение ячейки SEG

Авторы разработки уточняют, что эффективность действия «эффекта тени» экспериментально подтверждена методом силовой микроскопии зонда Кельвина (Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM), позволяющим запечатлеть движение и распределение заряда внутри молекулы, не нарушая её структуру.

SEG генерирует энергию от светового контраста, возникающего под слабым комнатным освещением. Получается это у него неплохо – вдвое лучше, чем у представленных на рынке солнечных панелей (если бы они работали не под открытым солнцем, а в комнате).

Энергии, полученной прибором при интенсивности освещения 0,0025 от солнечного света, достаточно, чтобы запитать электронные часы (1,2 вольт). Кроме того, SEG может служить в качестве автономного датчика движения, отслеживающего перемещение теней. Исследователи называют и прибор, и технологию, позволяющую собирать энергию в тени, «беспрецедентными».

«Окружающие нас тени мы принимаем как должное, – говорит доцент кафедры материаловедения и инженерии Национального университета Сингапура, Тан Суи Чин (Tan Swee Ching). – Для традиционных фотовольтаических и оптоэлектронных элементов, питающих приборы от источника устойчивого света, наличие тени крайне нежелательно – она снижает производительность этих элементов. Нам же удалось использовать контраст между светом и тенью, сделав его косвенным источником энергии. Контраст в освещении вызывает разность напряжений между затенённым и освещённым участками, в результате чего возникает электрический ток».

«Когда SEG находится под светом или в тени целиком, он не производит энергии. Работать устройство начинает, когда половина его оказывается в тени», – добавляет соавтор проекта, профессор Эндрю Уи (Andrew Wee).

Первый в своём роде

По словам учёных, способов применения технологии множество – от продления срока службы носимой электроники до повышения производительности солнечных батарей в тени. Также исследователи ищут способы создания автономных сенсоров на базе SEG, которые можно было бы закрепить на одежде и использовать в повседневной жизни. Ещё один потенциальный способ применения – создание генерирующих панелей, работающих от внутрикомнатного освещения.

На следующем этапе исследований учёные планируют экспериментировать с другими материалами, чтобы снизить стоимость устройства. Их задача – исключить из схемы золото. Сейчас квадратный метр SEG обойдётся по предварительным подсчётам в 30–50 долларов. Для улучшения свойств могут быть использованы решения, которые уже доказали свою эффективность в солнечных панелях, к примеру обработка поверхности для лучшего улавливания света.

Пока устройство в большей степени адаптировано для применения внутри помещений, скажем, для питания небольших гаджетов. Но исследователи рассчитывают повысить эффективность своей разработки и со временем предложить варианты уличного применения.

«У индустрии солнечных панелей ушли годы, чтобы достичь нынешнего уровня эффективности. Наш девайс – первый в своём роде, и нам ещё многое предстоит сделать, чтобы его усовершенствовать. Надеюсь, что однажды мы увидим, как SEG производит электричество в промышленных масштабах», – говорит Тан Суи Чин.

По его словам, в перспективе основной зоной применения таких устройств должны стать плотно застроенные городские пространства, где высотные здания, пешеходы и автомобили отбрасывают множество теней. В пользу SEG говорит высокая устойчивость девайса к внешним температурным и механическим воздействиям, а также влажности. Проще говоря, такую плёнку вполне можно монтировать прямо в тротуар.

Любопытно, что менее года назад Тан Суи Чин и его коллеги представили другую любопытную разработку – материал, собирающий влагу из окружающего воздуха и превращающий её в источник энергии. Почерпнув вдохновение у тропических растений, они предложили решение актуальной для Сингапура проблемы – сделали первый шаг к тому, чтобы липкую тропическую жару поставить на службу человеку.

Совместив влагопоглощающий гель на основе цинка и кобальта со светоактивными материалами, Тан Суи Чин с коллегами создали устройство для сушки атмосферного воздуха, способное снизить влажность в помещении на 12%, вырабатывая при этом слабый электрический ток.

Солнечная панель наоборот

Сингапурские физики не единственные и даже не первые, кто пытался заставить работать фотоэлектрические панели в темноте. В начале этого года Джереми Манди, профессор Калифорнийского университета в Дэвисе, представил прототип устройства, способного выдавать 50 ватт энергии на м² под ночным небом – примерно четверть от того, на что способны обычные солнечные панели ясным днём.

«Обычный фотоэлемент генерирует энергию, впитывая солнечный свет, что приводит к образованию напряжения в устройстве и возникновению тока. В новом устройстве свет, наоборот, излучается, а ток и напряжение идут в противоположном направлении, но энергия всё равно вырабатывается, – пояснил Манди. – Приходится использовать другие материалы, но физика та же самая».

Термолучевой элемент, лежащий в основе разработки, может работать и днём, скажем, в пасмурную погоду, так что его можно использовать для повышения эффективности солнечных электростанций.

Ещё раньше – осенью прошлого года – аналогичное устройство представили академические соседи Манди – физики из Калифорнийского университета Лос-Анджелеса. Их панель, состоящую из полистиролового кожуха, покрытого лёгкой алюминиевой пленкой-майларом, испытывали холодной декабрьской ночью. Принцип её действия схож – панель теряет тепло посредством инфракрасного излучателя, соединённого с термоэлектрическим модулем, который в свою очередь подключён к преобразователю постоянного тока. Правда показатели оказались скромнее – 25 милливатт на м². Единственное, что удалось запитать с помощью этого тока, – одинокий белый светодиод.