Новая интегрированная солнечная батарея на основе фотоанодов из нитрида углерода.
В последние годы исследователи пытались создать все более эффективные солнечные технологии и более устойчивые конструкции батарей. Среди новых решений в области устойчивой энергетики — солнечные батареи, системы, которые могут накапливать энергию, собранную солнечными элементами, или фотоэлектрические (PV) системы.
Исследовательская группа в Институте исследований твердого тела им. Макса Планка под руководством профессора Беттины Лотч недавно представила устойчивую интегрированную конструкцию солнечной батареи на основе материалов, распространенных на Земле. Их конструкция, представленная в статье, опубликованной в журнале Energy & Environmental Science , основана на бифункциональном фотоаноде из нитрида углерода (K-PHI), который может как поглощать свет, так и накапливать электрический заряд.
«Область исследований солнечных батарей все еще молода и поэтому очень разнообразна по концепциям и идеям с разными уровнями интеграции», — сказал Tech Xplore один из исследователей, проводивших исследование, Андреас Гоудер. «Интеграция означает, что две функции — преобразование световой энергии и накопление энергии — встроены в одно устройство. Это можно сделать с помощью разных подходов, например, путем добавления фотоактивного электрода в батарею или — как это сделано здесь — с помощью бифункциональный электродный материал. Однако интеграция может также повлиять на перенос заряда».
По сути, когда батареи заряжаются с помощью света, один из фотогенерированных носителей заряда должен быть перенесен с фотоактивного электрода на другой «противоэлектрод». В большинстве ранее разработанных солнечных батарей, в основе которых лежат твердые электроды, этот процесс происходит через внешний провод.
Профессор Лотч, Гоудер и их коллеги решили создать аккумулятор, в котором этот процесс происходил внутри компании. Для этого они внедрили многофункциональный сепаратор, который разделяет два электрода внутри их батареи.
«Разработка экспериментального устройства с помощью этого нового, более интегрированного механизма вдохновила эту работу, наряду с использованием бифункциональных, богатых землей и дешевых двумерных полимерных нитридов углерода (т. е. модификация нитрида углерода «K-PHI») в качестве фотоанодов для первого время для солнечных батарей», — сказал Гоудер. «Пригодность K-PHI в качестве анода солнечной батареи была впервые исследована нашей группой в 2018 году и впоследствии запатентована в 2019 году».
Созданная исследователями батарея состоит из двух электродов (то есть анода и катода) и разделителя между ними. Поглощение света осуществляется анодом, изготовленным из К-ФИ. Фотогенерированные электроны накапливаются непосредственно в K-PHI, а фотогенерированные дырки переносятся на катод, изготовленный из органического проводящего полимера PEDOT:PSS.
«Практически во всех других сопоставимых устройствах с закрытыми солнечными батареями это делается через внешний провод», — сказал Гоудер. «Здесь механизм передачи происходит внутри, является уникальным и ректифицированным и осуществляется дырочным транспортирующим слоем (органический проводящий полимер F8BT). темный и заряжается/разряжается приложенным электрическим током), но становится возможным несколько световых режимов, каждый из которых мы подробно исследовали в рамках нашего исследования».
Профессор Лотч, Гоудер и их коллеги оценили свою солнечную батарею в серии испытаний и обнаружили, что она дает очень многообещающие результаты. Солнечный свет может способствовать зарядке солнечной батареи или процессу зарядки и разрядки. Исследователи обнаружили, что их решение, примененное как к процессам зарядки, так и к разрядке, значительно увеличило извлекаемую энергию на 94,1% по сравнению с тем, когда батарея работала как обычные батареи в темноте.
Интегрированная конструкция солнечной батареи, предложенная этой группой исследователей, может вскоре вдохновить другие команды на создание аналогичных устойчивых батарей на основе фотоанодов из нитрида углерода или с использованием сепараторов. Между тем, исследователи планируют дальнейшее совершенствование своей технологии, повышение ее энергоэффективности и облегчение ее коммерциализации.
«Хотя эффективность фотозарядки сравнима с аналогичными устройствами на основе солнечных батарей на основе фотоанодов, она все же уступает более классическим системам с двумя устройствами (то есть солнечным элементом, подключенным к батарее)», — добавил Гоудер. «Следовательно, внедрение в классический парк солнечной энергии требует увеличения фототока, чтобы стать конкурентоспособным с современными солнечными батареями.. Возможны и другие области применения, например, полупрозрачный характер устройства может позволить использовать его в местах, где нельзя использовать традиционные солнечные элементы (например, в окнах). Кроме того, поскольку хранение заряда происходит непосредственно на устройстве, оно не требует инфраструктуры для хранения заряда и может работать очень децентрализованно, например, в различных микроустройствах».
