Οι δευτερεύουσες μπαταρίες, όπως οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, πρέπει να επαναφορτιστούν μόλις εξαντληθεί η αποθηκευμένη ενέργεια.Σε μια προσπάθεια να μειώσουν την εξάρτησή μας από τα ορυκτά καύσιμα, οι επιστήμονες έχουν εξερευνήσει βιώσιμους τρόπους για την επαναφόρτιση των δευτερευουσών μπαταριών.Πρόσφατα, ο Amar Kumar (πτυχιούχος φοιτητής στο εργαστήριο του TN Narayanan στο TIFR Hyderabad) και οι συνεργάτες του συναρμολόγησαν μια συμπαγή μπαταρία ιόντων λιθίου με φωτοευαίσθητα υλικά που μπορούν να επαναφορτιστούν άμεσα με ηλιακή ενέργεια.
Οι αρχικές προσπάθειες διοχέτευσης ηλιακής ενέργειας για επαναφόρτιση μπαταριών χρησιμοποίησαν τη χρήση φωτοβολταϊκών στοιχείων και μπαταριών ως ξεχωριστές οντότητες.Η ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία σε ηλεκτρική ενέργεια που κατά συνέπεια αποθηκεύεται ως χημική ενέργεια στις μπαταρίες.Η ενέργεια που αποθηκεύεται σε αυτές τις μπαταρίες χρησιμοποιείται στη συνέχεια για την τροφοδοσία των ηλεκτρονικών συσκευών.Αυτό το ρελέ ενέργειας από το ένα στοιχείο στο άλλο, για παράδειγμα, από το φωτοβολταϊκό στοιχείο στην μπαταρία, οδηγεί σε κάποια απώλεια ενέργειας.Για να αποφευχθεί η απώλεια ενέργειας, υπήρξε μια στροφή προς τη διερεύνηση της χρήσης φωτοευαίσθητων εξαρτημάτων μέσα σε μια ίδια την μπαταρία.Έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην ενσωμάτωση φωτοευαίσθητων εξαρτημάτων σε μια μπαταρία με αποτέλεσμα τον σχηματισμό πιο συμπαγών ηλιακών μπαταριών.
Αν και βελτιωμένες στο σχεδιασμό, οι υπάρχουσες ηλιακές μπαταρίες εξακολουθούν να έχουν ορισμένα μειονεκτήματα.Μερικά από αυτά τα μειονεκτήματα που σχετίζονται με διάφορους τύπους ηλιακών μπαταριών περιλαμβάνουν: μειωμένη ικανότητα αξιοποίησης αρκετής ηλιακής ενέργειας, χρήση οργανικού ηλεκτρολύτη που μπορεί να διαβρώσει το φωτοευαίσθητο οργανικό συστατικό μέσα σε μια μπαταρία και σχηματισμός παράπλευρων προϊόντων που εμποδίζουν τη διαρκή απόδοση μιας μπαταρίας σε μακροπρόθεσμα.
Σε αυτή τη μελέτη, ο Amar Kumar αποφάσισε να εξερευνήσει νέα φωτοευαίσθητα υλικά που μπορούν επίσης να ενσωματώσουν λίθιο και να κατασκευάσει μια ηλιακή μπαταρία που θα είναι στεγανή και θα λειτουργεί αποτελεσματικά σε συνθήκες περιβάλλοντος.Οι ηλιακές μπαταρίες που έχουν δύο ηλεκτρόδια συνήθως περιλαμβάνουν μια φωτοευαίσθητη χρωστική σε ένα από τα ηλεκτρόδια αναμεμειγμένη φυσικά με ένα σταθεροποιητικό εξάρτημα που βοηθά στην κίνηση της ροής ηλεκτρονίων μέσω της μπαταρίας.Ένα ηλεκτρόδιο που είναι ένα φυσικό μείγμα δύο υλικών έχει περιορισμούς στη βέλτιστη χρήση της επιφάνειας του ηλεκτροδίου.Για να αποφευχθεί αυτό, ερευνητές από την ομάδα του TN Narayanan δημιούργησαν μια ετεροδομή από φωτοευαίσθητο MoS2 (δισουλφίδιο του μολυβδαινίου) και MoOx (οξείδιο του μολυβδαινίου) για να λειτουργήσει ως ένα μόνο ηλεκτρόδιο.Όντας μια ετεροδομή όπου τα MoS2 και MoOx έχουν συγχωνευθεί μεταξύ τους με μια τεχνική εναπόθεσης χημικών ατμών, αυτό το ηλεκτρόδιο επιτρέπει μεγαλύτερη επιφάνεια για την απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας.Όταν οι ακτίνες φωτός χτυπούν το ηλεκτρόδιο, το φωτοευαίσθητο MoS2 παράγει ηλεκτρόνια και ταυτόχρονα δημιουργεί κενά που ονομάζονται τρύπες.Το MoOx κρατά τα ηλεκτρόνια και τις οπές χωριστά και μεταφέρει τα ηλεκτρόνια στο κύκλωμα της μπαταρίας.
Αυτή η ηλιακή μπαταρία, η οποία συναρμολογήθηκε πλήρως από την αρχή, βρέθηκε να λειτουργεί καλά όταν εκτίθεται σε προσομοιωμένο ηλιακό φως.Η σύνθεση του ηλεκτροδίου ετεροδομής που χρησιμοποιείται σε αυτήν την μπαταρία έχει μελετηθεί εκτενώς και με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης.Οι συγγραφείς της μελέτης εργάζονται επί του παρόντος για να ανακαλύψουν τον μηχανισμό με τον οποίο το MoS2 και το MoOx λειτουργούν παράλληλα με την άνοδο λιθίου με αποτέλεσμα τη δημιουργία ρεύματος.Ενώ αυτή η ηλιακή μπαταρία επιτυγχάνει υψηλότερη αλληλεπίδραση φωτοευαίσθητου υλικού με το φως, δεν έχει ακόμη επιτευχθεί η παραγωγή των βέλτιστων επιπέδων ρεύματος για την πλήρη επαναφόρτιση μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου.Με αυτόν τον στόχο κατά νου, το εργαστήριο του TN Narayanan διερευνά πώς τέτοια ηλεκτρόδια ετεροδομής μπορούν να ανοίξουν το δρόμο για την αντιμετώπιση των προκλήσεων των σημερινών ηλιακών μπαταριών.
Ώρα δημοσίευσης: 11 Μαΐου 2022