PowerPulse
Отрицательная емкость дважды за последнее время оказывалась в центре внимания. Во-первых, как технология, потенциально открывающая путь к более эффективным вычислениям, а во-вторых, как способ повышения КПД и стабильности перовскитных солнечных элементов.
Проявив немного изобретательности в области физики, международная группа ученых разработала способ маломасштабного перераспределения электроэнергии, что потенциально открывает новые пути для исследований в области более энергоэффективных вычислений. Приведенное изображение показывает движение доменной стенки (a-c и b-d) в конденсаторе при увеличении заряда на одной из сторон (c). Происходящее вследствие этого перераспределение доменной стенки вызывает эффект отрицательной емкости. (Изображение предоставлено Аргоннской национальной лабораторией).
В новом исследовании ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США совместно с коллегами из Франции и России создали постоянный статический «отрицательный конденсатор» – устройство, сама возможность существования которого всего лишь десятилетие назад считалась нарушением физических законов.
В то время как ранее предложенные конструкции отрицательных конденсаторов работали на временной, переходной основе, новая концепция отрицательных конденсаторов, разработанная в Аргоннской лаборатории, работает как устойчивое, обратимое устройство.
Исследователи обнаружили, что последовательное соединение отрицательного конденсатора с положительным конденсатором позволяет локально повышать напряжение на положительном конденсаторе до уровня, превышающего общее напряжение системы. Таким образом, они могли бы распределять электричество по тем областям схемы, где требуется более высокое напряжение, в то время как вся схема работала бы при более низком напряжении.
«Задача состоит в том, чтобы получать электричество там, где оно необходимо, используя его настолько мало, насколько это возможно в контролируемом статическом режиме», – отметил материаловед Аргоннской лаборатории Валерий Винокур, один из авторов исследования.
Электрическое напряжение традиционного конденсатора прямо пропорционально накопленному им электрическому заряду – увеличение количества заряда увеличивает напряжение. В отрицательных конденсаторах происходит обратное – увеличение заряда уменьшает напряжение. Поскольку отрицательный конденсатор является частью большей цепи, это не нарушает закона сохранения энергии.
«Представить себе этот принцип можно на примере работы холодильника, – отметил первый автор статьи, ученый из Университета Пикардии (Франция) Игорь Лукьянчук. – Внутри холодильника, конечно, намного холоднее, чем снаружи, но это происходит потому, что мы нагреваем остальную среду, затрачивая энергию на охлаждение холодильника».
Основным компонентом отрицательного конденсатора, предложенного Винокуром и его коллегами, является наполнитель из сегнетоэлектрического материала, подобного магниту, за исключением того, что он имеет внутреннюю электрическую поляризацию, а не магнитную ориентацию.
«В сегнетоэлектрической наночастице на одной поверхности образуется положительный заряд, а на другой поверхности отрицательный, – отметил Винокур. – Это создает электрические поля, которые пытаются деполяризовать материал».
Разделив наночастицу на два равных сегнетоэлектрических домена противоположной поляризации, разделенных границей, называемой доменной стенкой, Винокур и его коллеги смогли минимизировать влияние полного деполяризующего электрического поля. Затем, добавив заряд к одному из сегнетоэлектрических доменов, ученые сместили положение доменной стенки между ними.
Из-за цилиндрической природы наночастицы доменная стенка начала сжиматься, вызывая ее смещение за пределы новой точки электрического равновесия. «По сути, доменную стенку можно рассматривать как полностью растянутую пружину, – отметил Лукьянчук. – Когда доменная стенка из-за дисбаланса заряда смещается в одну сторону, пружина выпрямляется, и высвобождаемая энергия упругой деформации продвигает ее дальше, чем можно было бы ожидать. Этот эффект и создает статическую отрицательную емкость».
Отрицательная емкость и перовскитные солнечные батареи
Перовскитные солнечные батареи, находящиеся в шаге от того, чтобы превзойти используемые сейчас тонкопленочные солнечные элементы, имея высокий КПД и низкую себестоимость, были бы воплощением идеальных батарей, если бы не существовало все еще не решенной проблемы их долговременной стабильности. С этим связано специфическое явление, происходящие в перовскитовых материалах и устройствах, когда очень медленные микроскопические процессы могут добавить им своего рода «эффект памяти».
Например, результат измерения КПД солнечного элемента на основе перовскита может зависеть от того, как долго устройство освещалось солнцем до измерения, или как было подано напряжение. Несколько лет назад этот эффект, известный как вольтамперный гистерезис, привел к спорам о том, каким образом можно точно определить КПД перовскитов. Другим примером этих неясных процессов является восстановление (частичное) в течение цикла день-ночь ранее деградировавшего солнечного элемента.
Такие эффекты создают проблемы при измерении зависимости параметров солнечных батарей от частоты, что является типичным способом более детальной оценки этих устройств (импедансная спектроскопия). Они приводят к большим сигналам на низких частотах (от Гц до мГц) и гигантским значениям удельной емкости (мФ/см2), включая странные, «нефизические» отрицательные значения, которые все еще остаются загадкой для исследовательского сообщества.
Теперь инженеры-химики из лаборатории Андерса Хагфельдта Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) разгадали эту загадку. Возглавляемые Вольфгангом Трессом (Wolfgang Tress), ученым из лаборатории Хагфельдта, они обнаружили, что большие емкости перовскита не являются классическими емкостями с точки зрения накопления заряда, а просто ведут себя, как емкости из-за медленного отклика солнечных батарей.
Исследователи подтвердили это измерениями во временной области при различных скоростях изменения напряжения. Они выяснили, что причиной возникновения кажущейся емкости является медленное изменение тока, проходящего через контакт солнечных элементов, который поддерживается медленным накоплением подвижного ионного заряда. Медленно увеличивающийся ток проявляется как отрицательная емкость в импедансных спектрах.
Работа проливает свет на взаимодействие между фотоэлектрическим эффектом в этих устройствах и ионной проводимостью перовскитных материалов. Достижение такого глубокого понимания в перспективе будет способствовать созданию улучшенных устойчивых перовскитных солнечных элементов.
