Пьезо-фотовольтаический микроэнергетический преобразователь

П’єзо-фотовольтаїчний мікроенергетичний перетворювачКлючевые слова
Энергетика и энергоэффективность Технологии использования новых видов топлива, возобновляемых и альтернативных источников энергии Полу

Описание
Предлагаемая инновация представляет собой устройство одновременного преобразования энергии окружающей среды за счет комбинирования пьезоэлектрических и полупроводниковых свойств единого функционального материала. Конструкция прибора в виде многослойной структуры на основе такого материала позволяет реализовать получение электрической энергии, используя параллельно два принципа: 1) генерация электрической энергии за счет пьезоэлектрического преобразования механической энергии вибраций и движения воздуха, 2) генерация электрической энергии за счет преобразования солнечной энергии с помощью фотоэлектрического преобразователя. В качестве единого функционального материала используется наноструктурированный оксид цинка – широкозонный полупроводниковый нетоксичный биосовместимый материал, который обладает пьезоэлектрическими свойствами.
Переход оксида цинка в наноразмерное состояние сопровождается изменением ряда имеющихся и появлением принципиально новых функциональных свойств. Наблюдается резкое повышение эффективности механоэлектрического преобразования за счет снижения эффективной диэлектрической проницаемости и повышения упругой податливости в композитах на его основе. При уменьшении диаметра стержневых гексагональных структур до единиц-десятков нанометров начинают проявляться размерные эффекты, приводящие к увеличению пьезокоэффициентов в 10…200 раз. Дополнительное повышение эффективности преобразования достигается за счет широкополосного согласования (активных преобразователей импеданса) и повышения эффективной частоты преобразования. Уменьшение монокристаллов оксида цинка до наноразмеров приводит к проявлению квантоворазмерных эффектов и изменению фотофизических и фотохимических свойств данного материала. Такие свойства, как высокая подвижность электронов, высокая энергия экситонного возбуждения, высокая площадь поверхности наноструктурированного оксида цинка позволяют применять этот материал в конструкциях гибридных фотоэлектрических преобразователей. Комбинирование наноструктур оксида цинка с современными органическими полимерными материалами позволяет снизить стоимость фотоэлектрических преобразователей с одновременным повышением КПД за счет высокой эффективности генерации зарядов. Спектр оптического поглощения такого преобразователя захватывает УФ область спектра излучения и может доходить до ИК области.
Для формирования наноструктурированного оксида цинка применяется нанотехнологический подход «снизу вверх»: создание наноструктур различной морфологии и структуры за счет самоорганизации при низкотемпературных химических и электрохимических процессах. Для электродов и других разделенных слоев используется микро/нанопечать, шелкография и др. В качестве подложки используются недорогие полимерные гибкие материалы, стекло, текстиль. Процесс синтеза и утилизации отходов является экологичным.
Кроме перспективного применения в данной инновации, наноструктурированный оксид цинка является мультифункциональным материалом, пригодным для создания других компонентов электронных систем: суперконденсаторов, транзисторов, ВЧ и СВЧ МЭМС приборов, фотоприемников и светоизлучателей различных областей спектра.

Новизна инновации:
Данная инновация предлагает комплексный подход к повышению эффективности и снижению стоимости преобразователей энергии окружающей среды. Впервые предлагается совмещенная структура пьезо-фотовольтаического микроэнергетического преобразователя на основе наноструктурированных материалов.
Среди других известных преобразователей механической энергии в электрическую, пьезоэлектрические преобразователи имеют наибольшую плотность энергии, технологичны и наиболее перспективны. Фотоэлектрические преобразователи гибридного типа являются перспективными устройствами фотовольтаики благодаря невысокой стоимости, развитию новейших материалов и прогнозируемому повышению кпд преобразования в ближайшее время.
Использование наноструктурированного мультифункционального полупроводникового материала, синтезированного с помощью нанотехнологического подхода «снизу вверх», который характеризуется низкой стоимостью по сравнению с дорогими микроэлектронными технологиями (вакуумное нанесение, фотолитография и т.п.) и недорогих гибких полимерных или текстильных основ (подложек), в том числе большой площади, повышает экономическую эффективность применения таких устройств по сравнению с аналогами.
За счет использования наноструктурированного оксида цинка повышается эффективность самого пьезоэлектрического преобразователя благодаря эффекту «композита» и проявлению гигантского наноразмерного пьезоэффекта по сравнению с устройствами на основе классических пьезоэлектрических материалов.
Оксид цинка является нетоксичными и имеет большой коэффициент электромеханической связи, в то время как содержание большого количества (до 70 весовых %) свинца в современных наиболее эффективных пьезоэлектриках PZT и PMN-PT ограничивает их изготовление в больших объемах и создает трудности при утилизации, а полимерные пьезоэлектрики имеют крайне низкие пьезоэлектрические коэффициенты. Для дополнительного повышения эффективности устройства впервые предложены схемотехнические приемы широкополосного согласования (активных преобразователей импеданса), и повышение эффективной частоты преобразования.
Кроме того, те же наноструктуры оксида цинка выполняют эффективное фотовольтаическое преобразование, а дополнительные слои ZnO образуют прозрачный электрод, расширяют спектр поглощения оптического излучения и обеспечивают самоочистку поверхности.

Описание проблемы:
На современном этапе развития техники и технологии актуальной проблемой является создание универсальных высокоэффективных источников питания для микро- и наноэлектронных устройств – беспроводных сенсоров, мобильных устройств связи, медицинских имплантатов, беспроводных электронных систем. В качестве источников питания множества устройств используют гальванические или аккумуляторные батареи, применение которых в случаях беспроводных или медицинских приборов может быть дорогим, не всегда удобным, невозможным, а в случаях приборов in-vivo – даже опасным.
Разработка новых материалов и энергоэффективных технологий по использованию энергии нетрадиционных возобновляемых источников является основным решением глобальной энергетической проблемы XXI века. Существующие устройства ветроэнергетики и фотовольтаики имеют большую начальную стоимость из-за применения дорогих материалов и энергоемких технологических подходов при изготовлении и поэтому имеют достаточно большой срок окупаемости, а стабильность и эффективность преобразователей возобновляемой энергии остается невысокой. Фотоэлектрические преобразователи второго и третьего поколения, стоимость которых значительно ниже, характеризуются малым КПД, нестабильны, а преобразователи фотосенсибилизированные красителем содержат летучие органические соединения, загрязняющие окружающую среду.
Предложенные преобразователи могут использоваться непосредственно как микромощные источники питания электронных устройств, так и для их подзарядки, а в перспективе и как преобразователи альтернативных источников энергии более высокой мощности. Одновременное параллельное преобразование световой энергии и энергии механических колебаний позволяет создавать разновидности предлагаемых пьезо-фотовольтаических устройств для питания беспроводных датчиков строительных конструкций, вибрирующих механизмов, биомедицинских датчиков и лабораторий на чипе, уличного освещения и архитектурной подсветки в виде искусственных деревьев и развевающихся полотен (флагов), преобразования энергии морских волн, движений живых и неживых объектов и т.п.
Их применение будет экономически эффективным благодаря невысокой стоимости и распространенности в природе исходных материалов, малой энергоемкости и технологичности применяемых методов создания структур и дешевизне материалов основ, на которых они синтезируются. Экологичность, малые затраты на утилизацию по окончании срока службы и возможность биомедицинских применений обеспечивается нетоксичностью и биосовместимостью используемых материалов и процессов.
Предложенный инновационный пьезо-фотовольтаический преобразователь за счет комбинирования двух механизмов преобразования энергии является универсальным многообещающим и перспективным устройством для широкого применения.

Стадия разработки:
Прототип с успешными лабораторными испытаниями

Потенциальные потребители, рынки:
Потенциальными потребителями инновации являются производители и пользователи электронных устройств, которые нуждаются в обеспечении питания или подзарядке. Пьезо-фотовольтаический микроэнергетический преобразователь может быть оптимальным устройством для подзарядки большого ряда мобильных устройств, что увеличивает число потенциальных потребителей за счет пользователей устройств мобильной связи, а также музыкальных проигрывателей, электронных книг, систем навигации, которые имеют аккумуляторные батареи.
Прогнозируется, что рынок преобразователей энергии внешней среды будет расти на 30% ежегодно. Заявленная инновация может быть использована в следующих сферах: потребительская электроника, промышленная электроника, дорожное строительство (дорожная разметка), военная и космическая техника, здравоохранение, безопасность, пищевая промышленность, охрана окружающей среды, сельское хозяйство.
Перспективно применение в устройствах дистанционного управления, освещения, мониторинга, электронных замках/устройствах контроля доступа, игровых устройствах, медицинских системах (беспроводные ингаляторы, системы доставки лекарств, системы мониторинга состояния пациента и многие другие), вживляемых датчиках, системах подзарядки, уличного тротуарного и архитектурного освещения, системы радиочастотной идентификации, системы слежения, и других портативных устройствах.
К областям, которые станут популярной сферой применения микроэнергетических преобразователей в конструкциях беспроводных сенсоров физических величин и химических веществ и систем радиочастотной идентификации с потенциальными потребителями в ближайшие 10 лет, относятся: технологии умного дома, сельскохозяйственная безопасность, внешние средства безопасности и т.д..