Канадские исследователи совершили прорыв в сфере возобновляемых источников энергии, разработав новую композитную структуру пьезоэлектрического микрогенератора. Замена пьезокерамики на перовскиты, созданные на основе галогенидов металлов, позволила достичь высокой эффективности и чрезвычайно высокой плотности тока в устройстве, способном обеспечить надежное питание для портативных и гибких электронных устройств.
Пьезоэлектрические микрогенераторы способны преобразовывать кинетическую энергию, получаемую из окружающей среды, в электрическую, благодаря физическим изменениям, таким как вибрации или нажатия на поверхность. Принцип пьезоэлектрического эффекта заключается в формировании электрического заряда на поверхности материала при его деформации. Для работы в качестве источника энергии генератор должен обеспечивать достаточное выходное напряжение и силу тока.
Эффективное значение пьезоэлектрического заряда, являющегося характеристикой материала генератора пьезокерамика. Тем не менее, их нежная структура и значительная цена обуславливают необходимость разработки альтернативных подходов.
Для ученых представляют значительный интерес композиционные материалы, основанные на галогенидах металлов и перовскитах – кристаллических соединениях, в молекуле которых насчитывается пять атомов: два положительно заряженных иона и три отрицательных. Эти материалы демонстрируют фотофизические, электрические и структурные характеристики, которые делают их перспективными для преобразования механической энергии в чистую. К их достоинствам относятся возможность обработки в растворах, гибкость и возможность синтеза при относительно низких температурах. Такие материалы находят применение, например, при создании нанолазеров и светодиодов.
По мнению исследователей из Университета Ватерлоо (Канада), несмотря на свои уникальные характеристики, данный материал проигрывает керамическим материалам по плотности выходного тока. В ранее разработанных композитах наночастицы способствовали диэлектрическую проницаемость, но уменьшали диэлектрическую прочность, то есть показатель способности материала сопротивляться воздействию высокого напряжения без электрического пробоя.
Обозначенные параметры повлияли на конструкцию, разработанную электротехниками. Первый параметр был увеличен благодаря использованию наночастиц с высокой проницаемостью, а второй – за счет оптимизации структуры перовскита. В ходе исследования авторы химически модифицировали наночастицы, чтобы предотвратить миграцию ионов, вызванную электрическим током, и усилить пьезоэлектрический отклик.
Согласно результатам проведенных испытаний, исследователи пришли к заключению о том, что устройство способно обеспечивать выдающуюся эффективность при одновременном снижении расходов на сырье. В научной работе, опубликованной в журнале Nature Communications, в ходе обсуждения было отмечено, что экономические и технологические выгоды, связанные с применением органометаллгалогенидных перовскитов, по сравнению с керамическими пьезоэлектриками, позволяют создавать инновационные решения.
Данную технологию можно использовать не только в портативной электронике, но и для решения более крупных задач, например, для питания осветительного оборудования на воздушных судах.