Сонячна батарея може забезпечити політ дрона

Автономність дронів може бути істотно поліпшена завдяки використанню нового типу сонячних батарей.

Про цю розробку дослідники з Університету Йоганна Кеплера в Лінці розповіли в публікації в журналі nature energy. Ключовою особливістю представленого ними рішення стала рекордно висока питома ефективність сонячної батареї, що дало змогу з її допомогою запустити комерційно доступний компактний дрон. У цій батареї використані галогенідосвинцеві перовськітові сонячні елементи товщиною менше ніж 2,5 мкм з чемпіонською питомою фотоелектричною потужністю 44 Вт/г і середньою продуктивністю 41 Вт/г.

Фотоелектричний модуль великої площі (24 см²), використаний у дослідженні, дав змогу забезпечити автономну роботу дрона, яка «виходить за рамки можливого на одному заряді батареї, усуваючи необхідність стикування, заряджання на прив'язі або інших формах участі людини». Сонячні модулі з перовськіту становлять лише 1/400 від загальної ваги дрона.

Група протестувала кілька комбінацій альфа-метилбензил-йодиду амонію (MBA) у верхньому абсорбційному шарі перовськіту, а PEDOT:PSS поєднував функції перенесення дірок і електрода. За словами дослідників, найтриваліший час життя з різних складів MBA включав цезій (Cs), що вказує на «скорочення шляхів нерадіаційної рекомбінації завдяки присутності MBA і Cs».

Як підкладку використовували «ультратонку» прозору непровідну полімерну плівку товщиною 1,4 мкм, вкриту шаром оксиду алюмінію товщиною 100 нм. Вона ефективно слугувала «бар'єром» для вологи та газів.

«У пристроях такого типу немає місця типовим методам інкапсуляції, які просто занадто товсті. Натомість команда поклалася на великі й об'ємні кристали верхнього шару перовськіту MBA для ефективної пасивації поверхні, а для підкладки - на шар оксиду алюмінію, нанесений за допомогою інструменту атомно-шарового осадження (ALD), що захищає від зовнішніх умов, але водночас залишається легким і гнучким", - каже керівник дослідження Мартін Кальтенбруннер (Martin Kaltenbrunner).

Так, наприклад, у статті наголошується, що коефіцієнт пропускання водяної пари (WVTR) «покритої ультратонкої підкладки виявився приблизно на 35% нижчим» порівняно з еталонними зразками, що являли собою пристрої на основі йодистого метил-амонію свинцю (MAPbI3).

Інші особливості перовськитової комірки включають електронно-транспортний шар із метилового ефіру феніл-С61-бутирової кислоти (PCBM) із прошарком з оксиду титану та металевий верхній контакт, який, як зазначила група, може бути виготовлено почергово із золота, хрому/золота або недорогого алюмінію.

«У наших дослідженнях перовськитових сонячних батарей важливо використовувати прекурсори, які синтезуються в якомога меншу кількість етапів. Простота синтезу є ключовим фактором, оскільки ми хочемо, щоб технологія була масштабованою і давала змогу стримувати витрати на виробництво матеріалів", - каже Кальтенбруннер.

Досліджувана сонячна батарея з перовськіту площею 0,1 см² мала напругу розімкненого ланцюга 1,13 В, щільність струму короткого замикання 21,6 мА/см², коефіцієнт заповнення 74,3% і ефективність перетворення енергії 18,1%. Комірки-чемпіони досягли напруги розімкнутого ланцюга 1,15 В, коефіцієнта заповнення 78% і ККД 20,1%.

Більший пристрій мав площу активного осередку 1,0 см², середню напругу розімкненого ланцюга 1,11 В, щільність короткого замикання 20,0 мА/см2, коефіцієнт заповнення 65,9% і ККД 14,7%. Пристрій-чемпіон досяг ККД 16,3%, заявила дослідницька група.

Модуль для живлення дрона складався з 24 взаємопов'язаних сонячних елементів площею 1 см². Енергоавтономний гібридний безпілотник на сонячних батареях, доступний на ринку квадрокоптерів, важив лише 13 г.

Було перевірено стабільність і тривалу працездатність на відкритому повітрі. Наприклад, після 50 годин безперервного стеження за точкою максимальної потужності (MPPT) на навколишньому повітрі сонячні елементи з малою і великою площею не капсульованої поверхні зберегли 90% і 74% від початкової продуктивності відповідно. Крім того, зовнішня лабораторія підтвердила продуктивність і властивості складу перовськіту.

Команда стверджує, що вона продемонструвала «ширші переваги використання квазі-2D перовськітного активного шару» і що вона перевершує «інші композиції в цій галузі», додаючи, що продуктивність, стабільність і зручність використання ультралегкої перовськітної сонячної технології є «портативним та економічно ефективним рішенням для збирання стійкої енергії».

Як система зарядки безпілотників вона є кроком на шляху до створення «транспортних засобів вічної дії» як для аерокосмічних, так і для наземних застосувань, стверджує команда.

У команди є плани подальших досліджень у цьому напрямку. «Ми продовжимо роботу з розробки технології підкладки з бар'єром з AlOx, масштабованих методів осадження і масштабування до ще більших модулів розміром щонайменше 10x10 см. Ми маємо намір розробити легкі та гнучкі фотоелектричні рішення для живлення всіх видів робототехніки та автономних транспортних засобів, - зазначив Кальтенбруннер. - Існує великий потенціал для розгортання гнучких сонячних фотоелектричних систем як у земних, так і в космічних додатках».

Про DCIM у забезпеченні успішної роботи ІТ-директора