Учёные из Федеральной политехнической школы Лозанны (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne) разработали наноустройство, способное вырабатывать стабильный электрический ток за счёт испарения солёной воды, солнечного света и тепла. Система работает автономно и не требует батарей, используя движение ионов и электронов внутри кремниевой структуры.
Ранее команда создала платформу для изучения гидровольтаического эффекта — явления, при котором электричество возникает при движении жидкости по заряжённой поверхности наноструктуры. В её основе лежала решётка из кремниевых наностолбиков, образующих каналы для испаряющейся жидкости. Новая версия устройства развивает эту концепцию и обеспечивает сопоставимую или более высокую мощность по сравнению с аналогами.
В отличие от прежних разработок, где тепло и свет использовались лишь для ускорения испарения, новая система применяет их для управления движением ионов в воде и электронов в полупроводнике. Это позволяет напрямую усиливать генерацию электрического тока.
Устройство состоит из трёх независимых слоёв: слоя испарения, слоя переноса ионов и слоя сбора электрического заряда. Такая раздельная структура даёт возможность наблюдать каждый этап процесса и точно настраивать его параметры — от геометрии наностолбиков до концентрации соли.
Принцип работы основан на сочетании нескольких эффектов. Фотоны солнечного света возбуждают электроны в кремнии, а тепло усиливает отрицательный поверхностный заряд материала. Одновременно испарение солёной воды вызывает смещение ионов и разделение положительных и отрицательных зарядов в жидкости. На границе воды и твёрдого тела возникает электрическое поле, которое направляет возбуждённые электроны во внешнюю цепь.
В результате добавление света и тепла усиливает выработку энергии примерно в пять раз. Авторы подчёркивают, что этот эффект существовал и раньше, но впервые был целенаправленно использован для повышения эффективности гидровольтаических устройств.
Эксперименты показали, что система обеспечивает напряжение около 1 вольта и плотность мощности примерно 0,25 ватта на квадратный метр (0,25 Вт/м2). При этом она рассчитана на длительную работу: кремниевые наностолбики покрыты защитным оксидным слоем, который предотвращает химическое разрушение в солёной воде и под действием тепла и света.
Разделение на три функциональных слоя позволило учёным создать физическую модель работы устройства и оптимизировать его характеристики. Сейчас команда разрабатывает методы наблюдения за процессами в реальном времени и проводит эксперименты с использованием солнечного симулятора.
По мнению авторов, разработка может ускорить внедрение гидровольтаических технологий для питания автономных систем. Такие источники энергии подходят для сетей датчиков без батарей, экологического мониторинга, носимой электроники и устройств интернета вещей — везде, где доступны вода, тепло и солнечный свет.