Прощайте, солнечные панели: новое устройство не только генерирует, но и хранит энергию

В ходе испытаний прототип достиг средней эффективности преобразования солнечной энергии в электричество около 4,2% и выдержал более 15-ти циклов зарядки и разрядки, заряжаясь только от света, пишет ecoticias.com.

Как работает гибридная солнечная батарея

Солнечная проточная редокс-батарея (SRFB) являет собой небольшой фотоэлемент, напрямую подключенный к особому типу батареи, которая хранит энергию в текучих жидкостях вместо твердых электродов. Это означает, что одно и то же устройство может как преобразовывать свет в энергию, так и сохранять эту энергию в химической форме для последующего использования.

В стандартной проточной батарее две разные жидкости находятся в отдельных резервуарах и прокачиваются через центральный элемент, где они обмениваются электронами. Эти жидкости содержат редокс-пары — химические пары, которые могут обратимо получать или терять электроны, что позволяет системе многократно заряжаться и разряжаться. Ученые выбрали органическую молекулу под названием 2,6-DBEAQ с одной стороны и соединение, известное как K4[Fe(CN)6], с другой, оба растворены в воде.

Изюминка конструкции — поглотитель света. Вместо использования обычной солнечной панели, питающей отдельный аккумулятор через внешнюю проводку, исследователи прикрепили фотоэлектрод из аморфного кремния с тройным переходом непосредственно к проточной ячейке. Когда свет попадает на эту многослойную кремниевую структуру, он генерирует достаточное напряжение для перемещения электронов в окислительно-восстановительные жидкости, поэтому батарея заряжается сама, как только светит солнце.

Что показали тесты

Ученые разрезали коммерческие ячейки из аморфного кремния с тройным переходом на крошечные кусочки размером около двух сантиметров с каждой стороны и соединили один из этих чипов с проточной ячейкой с электродом из углеродного войлока и мембраной Nafion, разделяющей две жидкости. Перед тестированием пропускали через электролиты аргон, чтобы удалить растворенный кислород, который мог бы помешать реакциям.

Для испытаний зарядки устройство находилось под ксеноновой лампой, настроенной на имитацию стандартного полуденного солнечного света, примерно 100 милливатт света на каждый квадратный сантиметр поверхности ячейки. На этом этапе оно заряжалось только светом, без дополнительного источника питания, подающего ток в систему. Солнечная батарея действовала как крошечное встроенное зарядное устройство для аккумулятора.

Когда исследователи переключились в режим разряда, они отбирали ток из устройства со скоростью 10 миллиампер на квадратный сантиметр и повторяли цикл зарядки и разрядки более пятнадцати раз. В ходе этих экспериментов система показала среднюю эффективность преобразования солнечной энергии в электричество примерно 4,2%, что, по словам авторов, является одним из лучших результатов на сегодняшний день для солнечных проточных редокс-аккумуляторов, использующих жидкости на основе антрахинона.

Современные коммерческие кремниевые панели обычно преобразуют от 15 до 22% поступающего солнечного света в электричество, в среднем чуть более 20%, так что 4,2% на первый взгляд могут показаться незначительным результатом. Однако сравнение не совсем корректно. Обычная панель требует отдельной батареи и силовой электроники для хранения энергии для вечернего использования, в то время как этот прототип SRFB выполняет преобразование и хранение в одном корпусе. Более ранние устройства этого типа, использующие аналогичные органические молекулы, достигали КПД около 1,7, 3,2 или 4,9%, а некоторые щелочные системы достигали лишь около 0,44–3,0%, страдая от коррозии или нестабильности химических веществ.

Ключевым фактором здесь является среда эксплуатации. Многие предыдущие эксперименты проводили химические реакции в очень сильных кислотах или очень сильных основаниях, которые могут разъедать фотоэлектроды и разрушать электролиты на основе ферроцианида. Устройство, разработанное в КНР, работает при pH 12, — более мягкой щелочной среде, которая призвана поддерживать стабильность как кремния, так и раствора K4[Fe(CN)6] при многократных циклах.