Сонячні батареї з одночасним поглинанням та зберіганням сонячної енергії

Вчені з Інституту досліджень твердого тіла імені Макса Планка розробили біфункціональну сонячну батарею, яка дозволяє одночасно заряджатися від світла, зберігати заряд і розряджатися. Пристрій використовує біфункціональний фотоанод з нітриду вуглецю для збору сонячного світла та зберігання його енергії за допомогою захоплених електронів.

Сонячні батареї, що поєднують сонячні елементи та акумулятори в одному пристрої, є новим децентралізованим та інтегрованим підходом до постачання відновлюваної енергії. Така конструкція пропонується для мінімізації втрат, спричинених вилученням заряду з сонячного елемента, проводкою та невідповідністю напруги або струму.

Дослідники з Інституту досліджень твердого тіла імені Макса Планка в Німеччині вивчили оптичні характеристики сонячної батареї на основі поширеного в природі і дешевого 2D-полімерного нітриду вуглецю в якості фотоанода.

Для цього команді спочатку потрібно було знайти спосіб нанесення тонкого шару 2D нітриду вуглецю калію, полі(гептазин-іміду), K-PHI, який зазвичай випускається у вигляді порошку або у вигляді водних суспензій наночастинок. Потім вони провели оптичне моделювання та експерименти, щоб ближче познайомитися з обмеженнями ефективності та конструктивними міркуваннями своєї сонячної батареї.

Будучи напівпрозорою, сонячна батарея може поглинати світло з обох боків. Зокрема, вона складається з декількох шарів напівпрозорих матеріалів з різними функціональними можливостями між двома шарами високопрозорого, провідного скла.

Розрахувавши поглинання в сонячній батареї, що складається з активного шару K-PHI різної товщини та відповідного шару полістиролсульфонатного матеріалу для зберігання дірок, дослідники виявили, що освітлення через задню частину пристрою є кращим незалежно від товщини активного шару, доки шар збору є тоншим за активний шар.

Вони також виявили, що тонші активні шари призводять до більших струмів фотозарядки (краща функціональність сонячних елементів), але з меншою електричною ємністю (гірша функціональність акумулятора).

Дослідницька група також повідомила, що їхній пристрій демонструє велику універсальність. Він забезпечує як великі одноразові струми, так і менші струми, які можна підтримувати протягом тривалого часу, що є типовим для мобільних телефонів.

“Ми показуємо, що вихід енергії збільшується найбільш суттєво для малих струмів електричного розряду, які знаходяться в діапазоні струму фотозарядки, що генерується за допомогою освітлення. Це дозволяє нам зробити висновок, що лише незначне збільшення інтенсивності світла може призвести до значного підвищення продуктивності”, – пишуть дослідники в статті “Подолання розриву між сонячними елементами та акумуляторами”: Оптичний дизайн біфункціональних сонячних батарей на основі 2D нітридів вуглецю, опублікованій в Advanced Energy Materials.

Вони додали, що результати, представлені в статті, можуть бути перенесені на інші концепції сонячних батарей, такі як фотоконденсатори або сонячні окислювально-відновлювальні батареї, які використовують біфункціональні електроди або мають розділені гетеропереходи для поглинання світла і накопичення заряду.