次世代の太陽電池を開発する

リチウムイオン電池などの二次電池は、蓄えたエネルギーを使い切ると再充電する必要があります。化石燃料への依存を減らすために、科学者たちは二次電池を充電する持続可能な方法を模索してきました。最近、アマール・クマール氏（ハイデラバードTIFRのTNナラヤナン研究室の大学院生）と彼の同僚は、太陽エネルギーで直接充電できる感光材料を使った小型リチウムイオン電池を組み立てた。

太陽エネルギーを電池の充電に導く最初の取り組みでは、太陽電池と電池を別個のものとして使用しました。太陽エネルギーは、太陽電池によって電気エネルギーに変換され、その結果、化学エネルギーとしてバッテリーに蓄えられます。これらのバッテリーに蓄えられたエネルギーは、電子機器に電力を供給するために使用されます。このように、あるコンポーネントから他のコンポーネントへ、たとえば太陽電池からバッテリーへのエネルギーの中継により、ある程度のエネルギーの損失が生じます。エネルギー損失を防ぐために、バッテリー自体の内部に感光性コンポーネントを使用することを検討する方向に移行しました。電池内に感光性コンポーネントを統合することは大幅に進歩しており、その結果、よりコンパクトな太陽電池が形成されるようになりました。

設計は改善されましたが、既存の太陽電池には依然としていくつかの欠点があります。さまざまなタイプの太陽電池に関連するこれらの欠点には、十分な太陽エネルギーを利用する能力の低下、電池内部の感光性有機コンポーネントを腐食させる可能性のある有機電解質の使用、および電池の持続的な性能を妨げる副生成物の形成が含まれます。長期的には。

この研究で、アマール・クマール氏は、リチウムを組み込むこともできる新しい感光性材料を探索し、漏れがなく、周囲条件で効率的に動作する太陽電池を構築することを決定しました。2 つの電極を備えた太陽電池は、通常、電極の 1 つに、電池内の電子の流れを促進する安定化成分と物理的に混合された感光性染料を含んでいます。2 つの材料の物理的混合物である電極には、電極の表面積の最適な使用法に制限があります。これを回避するために、TN ナラヤナン氏のグループの研究者は、単一電極として機能する感光性 MoS2 (二硫化モリブデン) と MoOx (酸化モリブデン) のヘテロ構造を作成しました。MoS2 と MoOx が化学蒸着技術によって融合されたヘテロ構造であるため、この電極は太陽エネルギーを吸収するためのより多くの表面積を可能にします。光線が電極に当たると、感光性 MoS2 が電子を生成し、同時に正孔と呼ばれる空孔を生成します。MoOx は電子と正孔を分離し、電子をバッテリー回路に転送します。

この太陽電池は完全にゼロから組み立てられ、擬似太陽光を照射すると良好に動作することが確認されました。この電池に使用されているヘテロ構造電極の組成は、透過型電子顕微鏡でも徹底的に研究されています。この研究の著者らは現在、MoS2 と MoOx がリチウム負極と連動して電流を生成するメカニズムの解明に向けて取り組んでいます。この太陽電池は、感光性材料と光とのより高度な相互作用を実現しますが、リチウムイオン電池を完全に充電するのに最適なレベルの電流の生成にはまだ達していません。この目標を念頭に置いて、TN ナラヤナンの研究室は、このようなヘテロ構造電極が現在の太陽電池の課題に対処する道をどのように切り開くことができるかを研究しています。