Солнечные батареи с одновременным поглощением и накоплением световой энергии
Ученые из Института исследований твердого тела имени Макса Планка разработали бифункциональное устройство солнечной батареи, позволяющее одновременно заряжать свет, накапливать заряд и разряжать электричество. В основе устройства лежит бифункциональный фотоанод из нитрида углерода, который собирает солнечный свет и накапливает его энергию за счет захваченных электронов.
Солнечные батареи, объединяющие в одном устройстве солнечные элементы и аккумуляторы, представляют собой новый децентрализованный и интегрированный подход к возобновляемому энергоснабжению. Такая конструкция позволяет минимизировать потери, связанные с отбором заряда из солнечного элемента, прокладкой проводов, а также несоответствием напряжения и тока.
Исследователи из Института исследований твердого тела имени Макса Планка (Германия) изучили оптические характеристики солнечной батареи на основе распространенного в мире и дешевого двумерного полимерного нитрида углерода в качестве фотоанода.
Для этого команде сначала пришлось найти способ осаждения тонкого слоя двумерного углеродного нитрида калия, поли(гептазин-имида), K-PHI, который обычно поставляется в виде порошка или водной суспензии наночастиц. Затем они провели оптическое моделирование и эксперименты, чтобы более детально рассмотреть ограничения по эффективности и конструктивные особенности своей солнечной батареи.
Будучи полупрозрачной, солнечная батарея может поглощать свет с обеих сторон. В частности, между двумя высокопрозрачными проводящими стеклянными слоями помещен ряд слоев полупрозрачных материалов с различными функциональными свойствами.
Рассчитав коэффициент поглощения в солнечной батарее с различной толщиной активного слоя K-PHI и соответствующего слоя дырочного материала из полистиролсульфоната, исследователи обнаружили, что освещение через заднюю часть устройства лучше независимо от толщины активного слоя, если только слой сбора тоньше активного слоя.
Также было обнаружено, что более тонкие активные слои приводят к большим токам фотозаряда (лучшая функциональность солнечного элемента), но при этом снижают электрическую емкость (худшая функциональность аккумулятора).
Исследователи также сообщили, что их устройство обладает большой универсальностью. Оно позволяет получать как большие разовые токи, так и меньшие токи, которые могут поддерживаться в течение длительного времени, что характерно для требований мобильных телефонов.
«Мы показали, что выход энергии наиболее существенно возрастает при малых токах электрического разряда, которые находятся в диапазоне тока фотозаряда, генерируемого при освещении. Это позволяет сделать вывод о том, что лишь незначительное увеличение интенсивности света может привести к существенному увеличению производительности», — пишут исследователи в статье Bridging the gap between solar cells and batteries: Optical design of bifunctional solar batteries based on 2D carbon nitrides, опубликованной в журнале Advanced Energy Materials.
Они добавляют, что результаты, представленные в статье, могут быть перенесены на другие концепции солнечных батарей, такие как фотоконденсаторы или солнечные редокс-аккумуляторы, в которых используются бифункциональные электроды или гетеропереходы между материалами, поглощающими свет и накапливающими заряд.