П’єзо-фотовольтаїчний мікроенергетичний перетворювач

П’єзо-фотовольтаїчний мікроенергетичний перетворювачКлючеві слова
Енергетика та енергоефективність Технології використання нових видів палива, відновлювальних та альтернативних джерел енергії Напівпро

Опис
Запропонована інновація представляє собою пристрій одночасного перетворення енергії навколишнього середовища за рахунок комбінування п’єзоелектричних і напівпровідникових властивостей єдиного функціонального матеріалу. Конструкція приладу у вигляді багатошарової структури на основі такого матеріалу дозволяє реалізувати отримання електричної енергії, використовуючи паралельно два принципи: 1) генерація електричної енергії за рахунок п’єзоелектричного перетворення механічної енергії вібрацій і руху повітря, 2) генерація електричної енергії за рахунок перетворення сонячної енергії за допомогою фотоелектричного перетворювача. В якості єдиного функціонального матеріалу використовується наноструктурований оксид цинку - широкозонний напівпровідниковий нетоксичний біосумісний матеріал, який проявляє п’єзоелектричні властивості.
Перехід оксиду цинку в нанорозмірний стан супроводжується зміною ряду існуючих і появою принципово нових функціональних властивостей. Спостерігається різке підвищення ефективності механоелектричного перетворення за рахунок зниження ефективної діелектричної проникності і підвищення пружної податливості в композитах на його основі. При зменшенні діаметра стрижневих гексагональних структур до одиниць-десятків нанометрів починають проявлятися розмірні ефекти, що призводять до збільшення п’єзокоефіцієнтів в 10...200 разів. Додаткове підвищення ефективності перетворення досягається за рахунок широкосмугового узгодження (активних перетворювачів імпедансу) і підвищення ефективної частоти перетворення. Зменшення монокристалів оксиду цинку до нанорозмірів, призводить до проявлення квантоворозмірних ефектів і, відповідно, істотної зміни фотофізичних і фотохімічних властивостей даного матеріалу. Такі властивості, як висока рухливість електронів, висока енергія екситонного збудження, висока площа поверхні наноструктурованого оксиду цинку дозволяють застосовувати цей матеріал в конструкціях гібридних фотоелектричних перетворювачів - пристроїв фотовольтаїки третього покоління. Комбінування наноструктур оксиду цинку з сучасними органічними полімерними матеріалами дозволяє знизити вартість фотоелектричних перетворювачів з одночасним підвищенням ККД за рахунок високої ефективності генерації зарядів. Спектр оптичного поглинання такого перетворювача захоплює УФ область спектру випромінювання і може доходити до ІЧ області.
Для формування наноструктурованого оксиду цинку використовується нанотехнологічний підхід «знизу вгору»: синтез наноструктур різної морфології і структури за рахунок самоорганізації при низькотемпературних хімічних і електрохімічних процесах без дорогих вакуумних та інших мікроелектронних технологій. Електроди та інші розділювальні шари формуються за допомогою методів мікро/нанодруку, шовкографії та ін. В якості основи (підкладки) застосовуються недорогі полімерні гнучкі матеріали, скло, текстиль. Процес синтезу та утилізації відходів є екологічним.
Крім перспективного застосування в даній інновації, наноструктурований оксид цинку є мультифункціональним матеріалом, придатним для створення інших компонентів електронних систем: суперконденсаторів, сенсорів, транзисторів, ВЧ і НВЧ МЕМС приладів, фотоприймачів і світловипромінювачів різних областей спектру.

Новизна інновації:
Дана інновація пропонує комплексний підхід до підвищення ефективності та зниження вартості перетворювачів енергії навколишнього середовища. Вперше пропонується суміщена структура п'єзо-фотовольтаїчного мікроенергетичного перетворювача на основі наноструктурованих матеріалів.
Серед інших відомих перетворювачів механічної енергії в електричну, п’єзоелектричні перетворювачі мають найбільшу густину енергії, технологічні і найбільш перспективні. Фотоелектричні перетворювачі гібридного типу є перспективними пристроями фотовольтаїки завдяки невисокій вартості, розвитку новітніх перспективних матеріалів, і прогнозованому найближчим часом підвищенню ККД перетворення.
Використання наноструктурованого мультифункціонального напівпровідникового матеріалу, синтезованого за допомогою нанотехнологічного підходу «знизу вгору», який характеризується низькою вартістю в порівнянні з дорогими мікроелектронними технологіями (вакуумне нанесення, фотолітографія і т.п.), і недорогих гнучких полімерних матеріалів або текстильних основ (підкладок), у тому числі великої площі, підвищує економічну ефективність застосування таких пристроїв у порівнянні з аналогами.
За рахунок використання наноструктурованого оксиду цинку підвищується ефективність самого п’єзоелектричного перетворювача завдяки ефекту «композита» і виникненню гігантського нанорозмірного п’єзоефекту в порівнянні з пристроями на основі класичних п’єзоелектричних матеріалів.
Оксид цинку є нетоксичними і має великий коефіцієнт електромеханічного зв'язку, в той час як вміст великої кількості (до 70 вагових %) свинцю в сучасних найбільш ефективних п’єзоелектричних матеріалах PZT і PMN-PT обмежує їх виготовлення у великих обсягах і створює труднощі при утилізації, а полімерні п’єзоелектрики мають дуже низькі п’єзоелектричні коефіцієнти. Для додаткового підвищення ефективності пристрою вперше запропоновані схемотехнічні прийоми широкосмугового узгодження (активних перетворювачів імпедансу) і підвищення ефективної частоти перетворення.
Крім того, ті ж самі наноструктури оксиду цинку виконують ефективне фотовольтаїчне перетворення, а додаткові шари ZnO утворюють прозорий електрод, розширюють спектр поглинання оптичного випромінювання і забезпечують самоочищення поверхні.

Опис проблеми:
На сучасному етапі розвитку техніки і технології актуальною проблемою є створення універсальних високоефективних джерел живлення для мікро- і наноелектронних пристроїв – бездротових сенсорів, мобільних пристроїв зв'язку, медичних імплантатів, бездротових електронних систем. В якості джерел живлення переважної більшості пристроїв використовують гальванічні або акумуляторні батареї, застосування яких у випадках бездротових або медичних приладів може бути дорогим, не завжди зручним, неможливим, а у випадках приладів in - vivo – навіть небезпечним.
Розробка нових матеріалів та енергоефективних технологій з використання енергії нетрадиційних відновлюваних джерел є основним способом вирішенням глобальної енергетичної проблеми XXI століття. Існуючі пристрої вітроенергетики та фотовольтаїки мають велику початкову вартість через використання дорогих матеріалів і енергоємних технологічних підходів при виготовленні і тому мають досить великий термін окупності, а стабільність і ефективність перетворювачів відновлюваної енергії залишається невисокою. Фотоелектричні перетворювачі другого і третього покоління, вартість яких значно нижче, характеризуються малим ККД, нестабільні, а фотосенсибілізіровані барвником перетворювачі містять летючі органічні сполуки, що забруднюють навколишнє середовище.
Запропоновані перетворювачі можуть використовуватися безпосередньо як мікропотужні джерела живлення електронних пристроїв, так і для їх підзарядки, а в перспективі і як перетворювачі альтернативних джерел енергії більш високої потужності. Одночасне паралельне перетворення світлової енергії та енергії механічних коливань дозволяє створювати різновиди запропонованих п’єзо-фотовольтаїчних пристроїв для живлення бездротових сенсорів будівельних конструкцій, вібруючих механізмів, біомедичних сенсорів і лабораторій на чипі, вуличного освітлення та архітектурного підсвічування у вигляді штучних дерев і полотен, що майорять (прапорів), перетворення енергії морських хвиль, рухів живих і неживих об’єктів тощо.
Застосування таких перетворювачів буде економічно ефективним завдяки невисокій вартості та поширеності в природі вихідних матеріалів, малої енергоємності та технологічності методів, що застосовуються для створення структур, і дешевизні матеріалів основ, на яких вони синтезуються. Екологічність, малі витрати на утилізацію по закінченні терміну служби і можливість біомедичних застосувань забезпечуються нетоксичністю і біосумісністю матеріалів і процесів, що використовуються.
Запропонований інноваційний п’єзо-фотовольтаїчний перетворювач за рахунок комбінування двох механізмів перетворення енергії є універсальним багатообіцяючим і перспективним пристроєм для широкого застосування.

Стадія розробки:
Прототип з успішними лабораторними випробуваннями

Потенційні споживачі, ринки:
Потенційними споживачами інновації є виробники і користувачі електронних пристроїв, які потребують забезпечення живлення або підзарядки. П'єзо- фотовольтаїчний мікроенергетичний перетворювач може бути оптимальним приладом для підзарядки широкого ряду мобільних пристроїв, що збільшує число потенційних споживачів за рахунок користувачів пристроїв мобільного зв'язку, а також музичних програвачів, електронних книг, систем навігації тощо, які мають акумуляторні батареї.
Прогнозується, що ринок перетворювачів енергії зовнішнього середовища буде рости на 30% щорічно. Заявлена інновація може бути використана в наступних сферах: споживча електроніка, промислова електроніка, дорожнє будівництво (дорожня розмітка), військова та космічна техніка, охорона здоров'я, безпека, харчова промисловість, охорона навколишнього середовища, сільське господарство.
Перспективне застосування в пристроях дистанційного керування, освітлення, моніторингу, електронних замках/пристроях контролю доступу, ігрових пристроях, медичних системах (бездротові інгалятори, системи доставки ліків, системи моніторингу стану пацієнта і багато інших), імплантованих сенсорах, системах підзарядки, вуличного, тротуарного і архітектурного освітлення, системах радіочастотної ідентифікації, системах стеження і інших портативних пристроях.
До областей, які стануть популярною сферою застосування мікроенергетичних перетворювачів в конструкціях бездротових сенсорів фізичних величин та хімічних речовин і систем радіочастотної ідентифікації з потенційними споживачами в найближчі 10 років, належать: технології розумного будинку, сільськогосподарська безпека, зовнішні засоби безпеки тощо.