Sekundärbatterien, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, müssen aufgeladen werden, sobald die gespeicherte Energie aufgebraucht ist.Um unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, haben Wissenschaftler nachhaltige Möglichkeiten zum Aufladen von Sekundärbatterien erforscht.Kürzlich haben Amar Kumar (Doktorand im Labor von TN Narayanan in TIFR Hyderabad) und seine Kollegen eine kompakte Lithium-Ionen-Batterie mit lichtempfindlichen Materialien zusammengestellt, die direkt mit Sonnenenergie aufgeladen werden kann.
Erste Versuche, Sonnenenergie zum Aufladen von Batterien zu kanalisieren, nutzten die Verwendung von Photovoltaikzellen und Batterien als separate Einheiten.Solarenergie wird durch Photovoltaikzellen in elektrische Energie umgewandelt, die anschließend als chemische Energie in Batterien gespeichert wird.Die in diesen Batterien gespeicherte Energie wird dann zur Stromversorgung der elektronischen Geräte verwendet.Diese Energieübertragung von einer Komponente zur anderen, beispielsweise von der Photovoltaikzelle zur Batterie, führt zu einem gewissen Energieverlust.Um Energieverluste zu vermeiden, wurde die Verwendung lichtempfindlicher Komponenten in der Batterie selbst zunehmend erforscht.Bei der Integration lichtempfindlicher Komponenten in eine Batterie wurden erhebliche Fortschritte erzielt, was zur Entwicklung kompakterer Solarbatterien führte.
Obwohl das Design verbessert wurde, weisen bestehende Solarbatterien immer noch einige Nachteile auf.Zu den mit verschiedenen Arten von Solarbatterien verbundenen Nachteilen gehören: verringerte Fähigkeit, genügend Sonnenenergie zu nutzen, Verwendung von organischem Elektrolyt, der die lichtempfindliche organische Komponente in einer Batterie korrodieren kann, und Bildung von Nebenprodukten, die die nachhaltige Leistung einer Batterie beeinträchtigen auf lange Sicht.
In dieser Studie beschloss Amar Kumar, neue lichtempfindliche Materialien zu erforschen, die auch Lithium enthalten können, und eine Solarbatterie zu bauen, die auslaufsicher ist und unter Umgebungsbedingungen effizient arbeitet.Solarbatterien mit zwei Elektroden enthalten normalerweise einen lichtempfindlichen Farbstoff in einer der Elektroden, der physikalisch mit einer stabilisierenden Komponente vermischt ist, die dabei hilft, den Elektronenfluss durch die Batterie anzutreiben.Bei einer Elektrode, die eine physikalische Mischung aus zwei Materialien ist, bestehen Einschränkungen hinsichtlich der optimalen Nutzung der Elektrodenoberfläche.Um dies zu vermeiden, schufen Forscher aus der Gruppe von TN Narayanan eine Heterostruktur aus lichtempfindlichem MoS2 (Molybdändisulfid) und MoOx (Molybdänoxid), die als einzelne Elektrode fungierte.Da es sich um eine Heterostruktur handelt, bei der MoS2 und MoOx durch eine chemische Gasphasenabscheidungstechnik miteinander verschmolzen wurden, ermöglicht diese Elektrode eine größere Oberfläche zur Absorption von Sonnenenergie.Wenn Lichtstrahlen auf die Elektrode treffen, erzeugt das lichtempfindliche MoS2 Elektronen und erzeugt gleichzeitig Leerstellen, sogenannte Löcher.MoOx hält die Elektronen und Löcher auseinander und überträgt die Elektronen auf den Batteriekreis.
Es wurde festgestellt, dass diese von Grund auf neu zusammengebaute Solarbatterie gut funktioniert, wenn sie simuliertem Sonnenlicht ausgesetzt wird.Die Zusammensetzung der in dieser Batterie verwendeten Heterostrukturelektrode wurde auch ausführlich mit dem Transmissionselektronenmikroskop untersucht.Die Autoren der Studie arbeiten derzeit daran, den Mechanismus aufzudecken, durch den MoS2 und MoOx zusammen mit der Lithiumanode arbeiten und so Strom erzeugen.Während diese Solarbatterie eine stärkere Wechselwirkung von lichtempfindlichem Material mit Licht erreicht, muss sie noch die optimale Stromstärke erzeugen, um eine Lithium-Ionen-Batterie vollständig aufzuladen.Mit diesem Ziel vor Augen untersucht das Labor von TN Narayanan, wie solche Heterostrukturelektroden den Weg für die Bewältigung der Herausforderungen heutiger Solarbatterien ebnen können.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 11. Mai 2022