Föreställ dig en skärm som kan ladda sig själv när du inte använder den. Istället för att bara stå stilla kan den samla ljus från omgivningen och omvandla det till elektricitet.
En ny studie visar att denna idé inte bara är möjlig – den fungerar redan i laboratoriet.
Läs: Varför ena sidan av Vintergatan är varmare än den andra
Forskare har skapat en speciell enhet som kan fungera både som solcell och som en ljusdiod (LED), och som utför båda uppgifterna mycket effektivt. Studien, publicerad i tidskriften Joule, beskriver en apparat som omvandlar solljus till elektricitet med en verkningsgrad på 26,7 procent, och samtidigt avger ljus med en verkningsgrad på cirka 31 procent.
Detta är imponerande siffror, även för enheter som bara är designade för att utföra en av dessa uppgifter.
Det centrala materialet bakom genombrottet
Det viktigaste materialet bakom detta genombrott är något som kallas metallhalogenidperovskiter. Dessa material har blivit mycket populära de senaste åren eftersom de är relativt billiga att tillverka och eftersom de kan anpassas för att absorbera eller avge olika typer av ljus.
Hittills har forskare dock oftast designat perovskitsolceller och LED-lampor separat, eftersom de kräver mycket olika strukturer.
Läs: Vilken fetmabehandling skyddar hjärtat bäst?
Utmaningen med tjocklek
Den största utmaningen handlar om tjocklek. För att en LED ska fungera bra måste perovskitlagret vara mycket tunt så att ljuset lätt kan släppas ut. Men för att en solcell ska fungera bra måste lagret vara mycket tjockare för att absorbera tillräckligt med solljus. Denna skillnad har gjort det svårt att kombinera båda funktionerna i en enda enhet utan att förlora effektivitet.
Smart lösning med svampstruktur
Den nya studien, ledd av forskare från University of Colorado Boulder och University of Science and Technology of China, hittade ett smart sätt att lösa detta problem. Istället för att välja mellan tunn eller tjock har de omdesignat hur ljuset färdas inuti enheten.
Deras lösning består i att tillsätta små svampliknande strukturer av aluminiumoxid inuti perovskitlagret. Dessa byggnader är alldeles för små för att synas, men spelar en stor roll. De hjälper till att leda ljus mer effektivt – både när apparaten absorberar ljus och när den avger det. Samtidigt tillåter de elektricitet att flöda smidigt genom enheten, vilket är avgörande för god prestanda.
Läker defekterna i materialet
En annan viktig förbättring är minskningen av små defekter i materialet. Normalt fångar dessa defekter upp ljus och omvandlar det till värme, vilket slösar energi. Den nya designen använder speciella ytbehandlingar för att ”läka” dessa defekter. Detta gör att ljuset kan studsa runt inne i materialet och få en andra chans att fly – en process som kallas fotonåtervinning. Resultatet är att enheten blir ännu mer effektiv.
Håller längre – och presterar bättre
Tester visade att den nya enheten inte bara presterar bra i båda lägena, utan också håller längre. Den behöll det mesta av sin prestanda även efter långvarig användning, vilket är mycket viktigt för verkliga tillämpningar.
Nya möjligheter för framtidens skärmar
Denna typ av tvåfunktionsenhet kan öppna helt nya möjligheter. Till exempel kan framtidens skärmar samla omgivande ljus för att förlänga batteriets livslängd, och belysningssystem kan återvinna energi när de stängs av. Mer generellt visar forskningen att kombinationen av ljusabsorption och ljusemission i en enhet inte bara är en teori – det är en praktisk ingenjörslösning.
Genom att noggrant designa både struktur och material hittar forskare ständigt nya sätt att skapa enheter som är smartare, mer effektiva och mer mångsidiga än någonsin tidigare.
Läs på Sporten: 3 värvningar som Liverpool planerar för sommaren
