Typowe akumulatory mają ograniczoną żywotność, a okablowanie często bywa niepraktyczne lub po prostu niemożliwe do zastosowania. Do niedawna jedynym sensownym rozwiązaniem było stosowanie dwóch oddzielnych komponentów – jednego do pozyskiwania energii ze światła i drugiego do jej wykrywania. Oto jednak nadszedł przełom z nieoczekiwanej strony, bo zespół badawczy z Korea University i Dongguk University stworzył molekularną powłokę, która pozwala jednemu urządzeniu pełnić równocześnie funkcję ogniwa słonecznego i fotodetektora. To rozwiązanie może wyeliminować kompromisy, które do tej pory ograniczały rozwój elektroniki przeznaczonej do użytku wewnętrznego.
Połączyli ogniwo słoneczne i fotodetektor. To 2w1 ma ogromny potencjał
Sednem tej innowacji jest pojedyncza molekuła kwasu benzeno-fosfonowego (BPA), która tworzy samoorganizującą się monowarstwę na przezroczystej elektrodzie z tlenku indowo-cynowego. To pozornie proste rozwiązanie okazało się kluczem do rozwiązania fundamentalnego problemu technologicznego. Półprzewodniki organiczne oferują elastyczność i lekkość, ale do tej pory nie udawało się pogodzić ich przeciwstawnych wymagań – ogniwa słoneczne potrzebują szybkiego transportu ładunków dla maksymalnej generacji energii, podczas gdy fotodetektory wymagają tłumienia tego ruchu, aby móc wykrywać słabe sygnały świetlne. Tutaj właśnie wchodzi powłoka BPA, która tworzy stabilny i jednorodny interfejs, wspierający zarówno efektywną ekstrakcję ładunku, jak i wykrywanie światła przy niskim poziomie szumów.
Czytaj też: Zamknęli się w labie i rozwiązali bolączki akumulatorów, które mogą zmienić nasz świat
Dzięki chemicznemu wiązaniu z powierzchnią elektrody możliwe stało się wyrównanie energii, a to z kolei umożliwia współistnienie obu funkcji w jednym urządzeniu. Tego typu eleganckie rozwiązanie pokazuje, że czasami prostsze podejście bywa bardziej skuteczne niż skomplikowane struktury. Zwłaszcza że w testach przeprowadzonych przy typowym oświetleniu wewnętrznym (LED o natężeniu 1000 luksów i temperaturze barwowej 2700 kelwinów) urządzenia z powłoką BPA osiągnęły 28,6% wydajności. Jest to znacznie wynik lepszy niż konkurencyjne rozwiązania wykorzystujące PEDOT:PSS (24,9%) czy 2PACz (27,5%). Stabilność nowej technologii również robi wrażenie, bo po 1000 godzinach ciągłego oświetlenia LED urządzenia zachowały 86,9% pierwotnej wydajności, podczas gdy rozwiązania konkurencyjne spadły odpowiednio do 68,7% i 79,2%.
Czytaj też: Dom i auto z jednej skrzynki. Nowy system jednocześnie grzeje i ładuje
Kolejnym aspektem wartym uwagi jest skalowalność technologii. Gdy powierzchnia urządzeń wzrosła ponad 200 razy, zachowały one 93% pierwotnej wydajności, podczas gdy konkurencyjne rozwiązania wykazały spadki przekraczające 10-13%. W trybie fotodetektora urządzenie osiągnęło z kolei moc równoważną szumowi na poziomie 584 femtowatów przy długości fali 730 nanometrów, co przewyższa alternatywne rozwiązania. Gdyby tego było mało, koszty produkcji nowej technologii są znacząco niższe od konkurencji. Stosunek koszt-wydajność dla urządzeń opartych na BPA wynosi 19,25 miliwata na dolara, a więc prawie dziewięciokrotnie więcej niż w przypadku urządzeń z 2PACz.
Czytaj też: Twoje panele słoneczne się chowają. Tyle mocy i sprawności, że aż trudno w to uwierzyć
Potencjalne zastosowania tej technologii są szerokie i obejmują samozasilające się czujniki ruchu w systemach automatyki budynkowej, monitory noszone śledzące dane zdrowotne czy małe urządzenia nadzoru w warunkach przemysłowych. Kompatybilność z elastycznymi podłożami umożliwia również rozwój giętkiej elektroniki, co otwiera kolejne możliwości aplikacyjne. Tego typu innowacja może przyspieszyć rozwój bezbateryjnych ekosystemów IoT, obniżając zarówno koszty, jak i zużycie materiałów. W perspektywie miliardów inteligentnych urządzeń oczekiwanych w domach, fabrykach i służbie zdrowia, znaczenie takiego przełomu trudno przecenić, choć jak to zawsze jest z nowymi technologiami – ich prawdziwy test nastąpi przy komercjalizacji i wdrożeniu na szeroką skalę.