Канадские ученые сделали открытие в области возобновляемой энергетики, предложив инновационную композитную конструкцию пьезоэлектрического микрогенератора. Использование перовскитов на основе галогенидов металлов вместо пьезокерамики дало высокую производительность и сверхвысокую плотность тока в устройстве, которое может служить устойчивым источником питания для портативной и гибкой электроники.
Пьезоэлектрические микрогенераторы способны преобразовывать внешнюю кинетическую энергию в электрическую в результате физических изменений в среде, например колебаний или легких нажатий пальцем. Сам же пьезоэлектрический эффект заключается в том, что деформация объекта из наноматериала приводит к появлению электрического заряда на его поверхности. В качестве источника энергии такой генератор может выступать при условии достаточно высокого выходного напряжения и силы тока.
Эффективно «работают» константы пьезоэлектрического заряда такого материала генератора, как пьезокерамика. Однако их хрупкая природа и высокая стоимость требуют поиска новых решений.
Особый интерес для исследователей представляют композиты на основе галогенидов металлов и перовскитов, то есть кристаллических соединений, молекула которых состоит из пяти атомов: двух положительных ионов и трех отрицательных. Они обладают фотофизическими, электрическими и структурными свойствами, идеальными для сбора механической, а значит, чистой энергии. В числе их преимуществ – возможность обработки в растворе, гибкость и низкотемпературный синтез. Например, такие материалы применяют для создания нанолазеров, светодиодов.
При столь уникальных свойствах, отметили ученые из Университета Ватерлоо (Канада), этот материал уступает керамическим аналогам в плотности выходного тока. В предыдущих композитах, созданных инженерами, наночастицы повышали диэлектрическую проницаемость, но снижали диэлектрическую прочность, или меру способности материала выдерживать высокое напряжение без электрического пробоя.
Эти характеристики определили конструкцию электротехников. Они увеличили первый показатель за счет наночастиц с высокой проницаемостью и повысили второй, оптимизировав структуру перовскита. Так авторы исследования химически модифицировали наночастицы, чтобы подавить их миграцию ионов, вызванную электрическим током, и улучшить пьезоэлектрический отклик.
По результатам испытаний ученые сделали вывод, что устройство может демонстрировать рекордную эффективность при значительно меньших затратах на материалы. В научной работе, опубликованной в журнале Nature Communications, они подчеркнули, что экономические и технологические преимущества использования органометаллгалогенидных перовскитов по сравнению с керамическими пьезоэлектриками открывают возможности для новых разработок.
Например, применять эту технологию можно не только для портативной электроники, но и для более масштабных целей, таких как питание электросветотехнического обрудования на самолетах.