Миниатюрные солнечные батареи открывают новые возможности

Миниатюризация интегральных микросхем делает возможным сократить величину потребляемой ими энергии настолько, что для их питания достаточно использовать такие же миниатюрные источники энергии. Крошечные солнечные ячейки позволяют обеспечить достаточным количеством энергии такие же крошечные процессоры.

Если при словах "солнечная энергия" пред вашим взором предстают бескрайние поля фотоэлектрических панелей, вы видите только половину картины. Не менее интересные вещи происходят сейчас на противоположном краю шкалы. Простое масштабирование существующих систем не годится, когда речь заходит об изделиях с поперечником в считанные миллиметры, а иной раз и доли миллиметра.

Учёным, создающим микроскопические солнечные батареи, приходится "рисовать" такие системы с нуля, подбирая оригинальный дизайн и материалы. Незаметный на глаз "слоёный пирог" из полупроводников в малых масштабах работает несколько иначе — добиться хорошей эффективности тут непросто, а ведь ещё нужно подумать и о возможности недорогого серийного выпуска новинки.

Тем интереснее разработки, в которых исследователи пытаются по-новому взглянуть на строение фотоэлектрических преобразователей и, что ещё важнее, — на возможные стратегии их применения. В последнее время такие проекты растут как грибы после дождя. И самый свежий из них — "Миллиметровый и почти вечный сенсорный чип" (Millimeter-Scale Nearly Perpetual Sensor System) от лаборатории автоматизации университета Мичигана (Design Automation Lab).

Размеры новинки составляют 2,5 х 3,5 х 1 миллиметр. И в этом пространстве создатели приборчика ухитрились поместить процессор, аккумулятор и солнечную батарею. Последняя — вариация тонкоплёночной технологии от компании Cymbet.

Крошечный сеносор представляет собой слоеный пирог и источника энергии в виде солнечной батареи, микросхемы и маленького аккумулятора

Этот крошечный чип питает себя сам, для чего его достаточно иногда выставлять на свет, пусть даже в помещении. Теоретически он может работать почти вечно, не требуя внимания человека (фото Daeyeon Kim).

Главная идея экспериментального прибора: он большую часть времени спит, просыпаясь на мгновение каждые несколько минут, чтобы произвести замеры и записать их в память чипа. Маленький расход электричества тут — ключ к успеху.

В той же Design Automation Lab ранее был создан микрочип Phoenix с феноменально низким энергопотреблением, однако от опытного образца до серии — дистанция огромная. В нынешнем же проекте учёные пошли иным путём — свой прибор они создали на базе ARM Cortex-M3 — крошечного и экономичного серийного процессора, нашедшего применение в самых разнообразных системах — от автомобильной электроники, беспроводных систем связи и до контроллеров промышленного оборудования.

Как объясняют исследователи в пресс-релизе университета, секрет "вечности" этой схемы — в управлении питанием.

Солнечная батарейка выдаёт напряжение 4 вольта, тогда как процессору нужно всего 0,5. Вместо того чтобы ставить преобразователь напряжения (сам по себе съедающий большую мощность), учёные из Мичигана придумали, как управлять "сердцебиением" процессора. Специальный алгоритм как регулирует такты чипа, так и меняет периоды его активности и сна. А результат — среднее энергопотребление составляет менее одного нановатта.

Неудивительно, что для энергетической автономии этой схемы ей достаточно такой маленькой солнечной батарейки да столь же крошечного аккумулятора, запасающего электричество в периоды сна. Срок службы такой схемы фактически ограничен только деградацией аккумулятора, но и его должно хватить на многие годы, — утверждает один из авторов устройства Дэвид Блаау (David Blaauw).

На основе же этой разработки можно создать автономные датчики окружающей среды, миниатюрные сенсоры состояния мостов и сооружений и даже медицинские имплантаты, регулярно посылающие медикам информацию о состоянии организма. Сейчас сотрудники университета работают над коммерциализацией технологии.

Тем временем другие учёные куда дальше зашли по пути миниатюризации солнечных преобразователей. Доун Боннелл (Dawn Bonnell) и её коллеги из университета Пенсильвании сообщили на днях о создании первой в мире микросхемы, питающейся светом.

Титул "первая" тут достаточно спорен, однако в отличие от других похожих разработок здесь нет отдельных электронной схемы и солнечной ячейки, соединённых позднее в одном устройстве: здесь сама поверхность микросхемы обработана так, что является и солнечной батареей.

Доун вовсе не намеревается вытеснить со своей "самоподдерживаемой" схемой обычную электронику, зато в специфических областях такие чипы могут оказаться очень полезными. Как и в предыдущем случае, они могут послужить основой микроскопических автономных датчиков. Но это не всё.

Научив такой чип ещё и излучать свет, да на разных частотах, вы получите готовый кирпичик для построения оптического компьютера, способного работать с высокими скоростями или, к примеру, моделировать на уровне не софта, но железа нейронные схемы мозга. Лучи света, связывающие такие чипы между собой, заменяли бы в таком случае нейромедиаторы, а сами чипы — единичные нейроны.

Для превращения этой схемы в готовый к употреблению продукт потребуются ещё годы работы, так что пока достижение Боннелл представляет больше академический интерес. Зато оно наглядно показывает, насколько необычными могут быть фотоэлектрические преобразователи и как порой "простое" изменение их масштаба способно привести к появлению новых возможностей для техники.

О роли масштаба рассуждает и американская компания Semprius, разработавшая оригинальную технологию микропечати солнечных батарей. Идея, которую продвигает Semprius, в общем виде не нова: компания считает, что наиболее эффективные (в том числе по соотношению мощность/стоимость) фотоэлектрические преобразователи можно получить, применяя в них концентраторы света, сводящие большой поток к миниатюрным солнечным зайчикам.

Такие приборы могут сочетать низкий расход сырья для изготовления с относительно высоким КПД, достигаемым именно в концентрированном световом потоке. Но во весь рост встаёт проблема организации теплоотвода: как линзы и изогнутые зеркала способны нагревать материалы — все прекрасно знают. Появляются вентиляторы и радиаторы — стоимость системы растёт.

Находка Semprius заключается в том, что при уменьшении размера отдельных солнечных ячеек проблема перегрева сначала нарастает, но потом вдруг просто перестаёт существовать.

По объяснению специалистов фирмы, у фотоэлектрических панелей меньше миллиметра в поперечнике очень большая доля тепла начинает уходить через боковые грани, в сравнении с плоскими солнечными батареями традиционного размера, так что субмиллиметровые панели нагреваются при освещённости в тысячу "солнц" примерно так же, как обычные солнечные батареи при освещении неконцентрированным солнечным светом.

Это доказывают солнечные батареи, созданные в Semprius. В них имеется три полупроводниковых слоя на основе арсенида галлия, каждый из которых впитывает свою полосу спектра (что повышает КПД).

Изготовлены эти панели комбинацией химического травления и печати, при которой очень мало сырья уходит в отбросы. Технологический процесс, разработанный профессором Джоном Роджерсом (John Rogers) из университета Иллинойса, таков, что из стандартной четырёхдюймовой пластины полупроводника можно получить 36 тысяч субмиллиметровых ячеек. Секрет не только в замене расточительного распиливания травлением, но и в том, что при создании каждой порции фотопреобразователей снимается очень тонкий слой с пластины, которая затем отправляется на новый круг.

По данным независимых тестов, КПД этих ячеек колеблется от 25% до 35%. Компания посчитала, что они могут поставлять электричество по цене порядка 10 центов за киловатт-час. А стоимость самой установки составит $2-3 за ватт выходной мощности. Массовый выпуск солнечных модулей с концентраторами-линзами и субмиллиметровыми солнечными батареями внутри Semprius намерена начать в 2013 году.

А пока она заключила соглашение с Siemens Industry о совместной разработке и создании большой демонстрационной системы, призванной показать все достоинства технологии.

Источник