Прощавайте, сонячні панелі: новий пристрій не тільки генерує, а й зберігає енергію

Під час випробувань прототип досяг середньої ефективності перетворення сонячної енергії на електрику близько 4,2% і витримав понад 15 циклів заряджання і розряджання, заряджаючись тільки від світла, пише ecoticias.com.

Як працює гібридна сонячна батарея

Сонячна проточна редокс-батарея (SRFB) являє собою невеликий фотоелемент, безпосередньо підключений до особливого типу батареї, яка зберігає енергію в текучих рідинах замість твердих електродів. Це означає, що один і той самий пристрій може як перетворювати світло в енергію, так і зберігати цю енергію в хімічній формі для подальшого використання.

У стандартній проточній батареї дві різні рідини знаходяться в окремих резервуарах і прокачуються через центральний елемент, де вони обмінюються електронами. Ці рідини містять редокс-пари — хімічні пари, які можуть оборотно отримувати або втрачати електрони, що дає змогу системі багаторазово заряджатися і розряджатися. Вчені вибрали органічну молекулу під назвою 2,6-DBEAQ з одного боку і з'єднання, відоме як K4[Fe(CN)6], з іншого, обидва розчинені у воді.

Родзинка конструкції — поглинач світла. Замість використання звичайної сонячної панелі, що живить окремий акумулятор через зовнішню проводку, дослідники прикріпили фотоелектрод з аморфного кремнію з потрійним переходом безпосередньо до проточної комірки. Коли світло потрапляє на цю багатошарову кремнієву структуру, воно генерує достатню напругу для переміщення електронів в окисно-відновні рідини, тож батарея заряджається сама, щойно світить сонце.

Що показали тести

Вчені розрізали комерційні комірки з аморфного кремнію з потрійним переходом на крихітні шматочки розміром близько двох сантиметрів з кожного боку і з'єднали один з цих чипів з проточною коміркою з електродом з вуглецевої повсті та мембраною Nafion, що розділяє дві рідини. Перед тестуванням пропускали через електроліти аргон, щоб видалити розчинений кисень, який міг би перешкодити реакціям.

Для випробувань зарядки пристрій перебував під ксеноновою лампою, налаштованою на імітацію стандартного полуденного сонячного світла, приблизно 100 мілліватт світла на кожен квадратний сантиметр поверхні комірки. На цьому етапі воно заряджалося тільки світлом, без додаткового джерела живлення, що подає струм у систему. Сонячна батарея діяла як крихітний вбудований зарядний пристрій для акумулятора.

Коли дослідники переключилися в режим розряду, вони відбирали струм з пристрою зі швидкістю 10 міліамперів на квадратний сантиметр і повторювали цикл заряджання і розряджання понад п'ятнадцять разів. Під час цих експериментів система показала середню ефективність перетворення сонячної енергії на електрику приблизно 4,2%, що, за словами авторів, є одним із найкращих результатів на сьогодні для сонячних проточних редокс-акумуляторів, що використовують рідини на основі антрахінону.

Сучасні комерційні кремнієві панелі зазвичай перетворюють від 15 до 22% сонячного світла, що надходить, на електрику, в середньому трохи більше 20%, тож 4,2% на перший погляд можуть здатися незначним результатом. Однак порівняння не зовсім коректне. Звичайна панель вимагає окремої батареї і силової електроніки для зберігання енергії для вечірнього використання, тоді як цей прототип SRFB виконує перетворення і зберігання в одному корпусі. Більш ранні пристрої цього типу, що використовують аналогічні органічні молекули, досягали ККД близько 1,7, 3,2 або 4,9%, а деякі лужні системи досягали лише близько 0,44-3,0%, потерпаючи від корозії або нестабільності хімічних речовин.

Ключовим фактором тут є середовище експлуатації. Багато попередніх експериментів проводили хімічні реакції в дуже сильних кислотах або дуже сильних основах, які можуть роз'їдати фотоелектроди і руйнувати електроліти на основі фероціаніду. Пристрій, розроблений у КНР, працює за pH 12, — більш м'якого лужного середовища, покликаного підтримувати стабільність як кремнію, так і розчину K4[Fe(CN)6] за багаторазових циклів.

Раніше ми писали про те, що