Учёные из японской лаборатории RIKEN разработали новый тип солнечного элемента, который можно растягивать, не теряя при этом способности преобразовывать свет в электричество. Это открытие может стать прорывом в создании носимой электроники следующего поколения.

Современные носимые устройства, такие как смарт-часы и медицинские мониторы, требуют периодической зарядки, что может быть неудобно для пользователей. Разработка гибких и растягиваемых солнечных элементов может решить эту проблему, позволяя устройствам заряжаться от солнечного света в течение дня.

Однако создание таких элементов является сложной задачей, поскольку они должны быть достаточно гибкими, чтобы растягиваться при движении тела, но при этом сохранять свою эффективность. Команда исследователей под руководством Кендзиро Фукуды из Центра исследований новых веществ RIKEN разработала решение этой проблемы.

«Мы сосредоточены на создании тонких, гибких устройств, но такие устройства не обладают растяжимостью. Скорее, они похожи на пластиковую плёнку, используемую для упаковки продуктов питания — их можно растянуть на 1% или 2%, но на 10% невозможно, поскольку они легко рвутся», — объясняет Фукуда.

Источник: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49352-4

Фукуда и его команда разработали новый подход, используя растягивающиеся материалы для каждого функционального слоя в устройстве. Однако это оказалось сложной задачей, поскольку необходимо было найти баланс между растяжимостью каждого слоя и его производительностью.

Наконец, исследователи создали высокопроизводительный гибкий солнечный элемент, который демонстрирует исключительную растяжимость. Эффективность преобразования энергии ячейки падает всего на 20%, когда солнечная ячейка растягивается на 50% (т.е. растягивается в 1,5 раза от своей первоначальной, нерастянутой длины). Более того, она сохраняет 95% своей первоначальной эффективности преобразования энергии после растяжения в 100 раз на 10%.

Ключ к реализации такой растяжимости устройства лежал во включении органического соединения под названием ION E в электродный слой солнечной ячейки. Это соединение не только повышает растяжимость электрода, но и усиливает адгезию между электродом и слоями выше и ниже него.

Благодаря этим двум эффектам электрод может принять на себя часть деформации активного слоя, расположенного над ним (который преобразует свет в электроны), что улучшает растяжимость всего устройства.

Долгосрочная цель исследователей в том, чтобы создать растягиваемый органический солнечный элемент большой площади. Однако для этого необходимо решить проблему низкой проводимости полимера, используемого для передачи вырабатываемого электричества.

Разработка растягиваемых солнечных элементов может иметь значительные последствия для создания носимой электроники следующего поколения. Это открытие может привести к созданию устройств, которые могут заряжаться от солнечного света в течение дня, что сделает их более удобными и независимыми от источников питания.