Фотоэлектрическая редокс-батарея с эффективностью преобразования солнечной энергии в электричество 4,2 %

Аккумулятор FIAMM 12FGL120

Китайские учёные сконструировали и протестировали устройство, в котором используются окислительно-восстановительные пары в сочетании с аморфно-кремниевым фотоэлектродом с тройным переходом. При тестировании под ксеноновой лампой, имитирующей одно солнце, устройство показало среднюю эффективность преобразования солнечной энергии в электричество на уровне 4,2%.

Устройство SRFB

Исследовательская группа из Нанкинского технологического университета (NanjingTech) в Китае разработала и создала новое устройство на основе антрахинона — солнечную редокс-батарею (SRFB).

Система состоит из окислительно-восстановительных пар, известных как 2,6-DBEAQ и K4 [Fe(CN) 6], соединенных с одним фотоэлектродом из аморфного кремния с тройным переходом. SRFB - это системы, которые сочетают в себе солнечный элемент и окислительно-восстановительную проточную батарею, обеспечивая одновременный улавливание солнечного света и накопление химической энергии.

«Среди окислительно-восстановительных пар, используемых в твердотельных фотоэлектрических элементах, водные растворы производных антрахинона получили признание как наиболее предпочтительные материалы для накопления энергии, — рассказал автор исследования Чэнъюй Хэ. — В твердотельных фотоэлектрических элементах на основе антрахинона обычно используются такие окислительно-восстановительные пары, как AQDS и 2,6-DHAQ, которые работают как в сильнокислых, так и в щелочных условиях. Однако из-за коррозии фотоэлектродов и нестабильности парных окислительно-восстановительных пар эти твердотельные фотоэлектрические элементы имеют относительно низкий КПД преобразования солнечной энергии в электричество».

Для фотокатодной части устройства группа разрезала коммерческие фотоэлектрические элементы с тройным переходом из аморфного кремния (3jn-a-Si) на части размером 2 см × 2 см. Элемент состоит из сложенных друг на друга переходов из аморфного кремния и германия, нанесённых на подложку из нержавеющей стали и покрытых слоем оксида индия и олова (ITO). Он электрически соединён через внешнюю цепь с контрэлектродом из углеродного войлока.

Фотокатод находится в химическом контакте с католитом, содержащим 2,6-дибром-1,4-эпоксиангидрол, который восстанавливается во время фотозарядки. Анолит, содержащий K₄[Fe(CN)₆], напротив, окисляется на углеродном войлочном электроде. Два электролита непрерывно поступают из внешних резервуаров в ячейку с помощью перистальтического насоса. Они разделены ионообменной мембраной Nafion, которая обеспечивает перенос ионов для поддержания баланса заряда, но предотвращает смешивание электролитов.

Эффективность устройства SRFB оценивалась с помощью циклического теста — многократного эксперимента по зарядке и разрядке. Перед измерениями электролиты продувались аргоном в течение 30 минут для удаления растворённого кислорода. Во время зарядки фотокатод облучался ксеноновой лампой, имитирующей интенсивность солнечного света в 100 мВт/см2. Устройство разряжалось при плотности тока 10 мА/см2 до тех пор, пока напряжение батареи не упало до 0,2 В.

«Устройство SRFB может заряжаться без внешнего смещения и разряжаться в течение 10 циклов, при этом эффективность преобразования солнечной энергии в электричество достигает 4,3 %», — заявил Чэнъюй Хэ. «Успешное создание этого устройства SRFB открывает новые возможности для дальнейшего развития передовых технологий преобразования солнечной энергии в химическую».

Результаты были представлены в статье «Водная антрахиновая солнечная окислительно-восстановительная проточная батарея для эффективного преобразования и хранения солнечной энергии», опубликованной в Electrochimica Acta.