Инновационный солнечный элемент — это собственная батарея

Инновационное гибридное солнечное устройство, сочетающее в себе фотоэлектрическую панель и накопитель энергии, достигло рекордного уровня эффективности накопления энергии для такого устройства. И в отличие от обычных батарей, устройство молекулярного хранения солнечной тепловой энергии (MOST) не полагается на дефицитные материалы.

«Солнечная гибридная система» объединяет фотоэлектрические (PV) панели и систему накопления энергии в одном устройстве. Но разработка такого устройства предполагает преодоление нескольких ключевых проблем для обеспечения эффективной работы системы. Одним из них является эффект солнечной радиации, который вызывает повышение температуры панели, и – несколько нелогично – приводит к снижению эффективности фотоэлектрических элементов на 10-25%. Другая причина заключается в том, что современные технологии хранения энергии, такие как батареи, основаны на дефицитных и неустойчивых материалах.

Однако исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции и Политехнического университета Каталонии – Barcelona Tech, Испания, придумали новое гибридное устройство, которое решает обе эти проблемы, одновременно максимизируя использование солнечной энергии и достигая рекордной эффективности хранения энергии.

Фотоэлектрические системы на основе кремния не зря стали доминирующей технологией солнечной энергетики. Кремния много, и его использование для производства фотоэлектрических модулей является экономически эффективным, масштабируемым и экологически устойчивым. Фотоэлектрические системы на основе кремния также высокоэффективны в преобразовании солнечного света в электричество. Тем не менее, они по-прежнему склонны к перегреву, что приводит к неэффективности.

Схема компонентов нового гибридного солнечного устройстваWang et al.

Итак, исследователи отошли от традиционного метода объединения слоя теплового поглотителя с фотоэлектрическим элементом и объединили кремниевый солнечный элемент с инновационной молекулярной системой хранения солнечной тепловой энергии, сокращенно MOST. Система размещена поверх фотоэлектрического элемента и содержит органические молекулы, протекающие через микрофлюидный чип, который может хранить солнечный свет в качестве химической энергии посредством процесса фотоизомеризации. Распространенная фотореакция, фотоизомеризация — это когда органическая молекула меняет свою структуру под воздействием света.

Возвращаясь к основам физики, фотоны представляют собой крошечные пакеты света, представляющие весь спектр электромагнитного излучения. Фотоны движутся волнообразно: от низкоэнергетических радиоволн до энергетических волн, излучающих видимый свет, и далее к волнам более высоких энергий, таким как ультрафиолетовый свет.

Когда органические молекулы МОСТ облучаются фотонами высокой энергии, или частицами света, например ультрафиолетом, они подвергаются химическому превращению, сохраняя созданную энергию для последующего использования. Кроме того, эти молекулы охлаждают фотоэлектрическую ячейку, действуя как оптический фильтр, блокирующий фотоны, которые обычно вызывают нагрев ячейки и снижают эффективность. Таким образом, система МОСТ позволяет как производить электроэнергию, так и хранить химическую энергию.

Инфографика электромагнитного спектраDepositphotos

Исследователи протестировали новое устройство в реальных сценариях, вручную ориентируя его лицом к солнцу с 9 до 15 часов осенним ноябрьским днем в Барселоне в 2022 году, который достиг высокой температуры около 39 °C (102 °F). Новое устройство достигло эффективности хранения солнечной энергии в 2,3%, что является самой высокой зарегистрированной молекулярной тепловой солнечной энергоэффективностью на сегодняшний день. Он также снизил температуру фотоэлектрических элементов до 8 °C (14 °F), уменьшив потери энергии из-за тепла и увеличив эффективность преобразования энергии на 12,6%. Общее использование солнечной энергии составило до 14,9%.

С точки зрения устойчивости система MOST не только повышает энергоэффективность, чтобы снизить зависимость от ископаемого топлива, но также использует общие элементы, такие как углерод, водород, кислород и азот, вместо дефицитных (и дорогих) материалов, таких как литий, кобальт. и никель, которые обычно используются для изготовления батарей.

“Несмотря на потенциал дальнейшей оптимизации, эта разработка является значительным шагом на пути к технологии длительного хранения энергии, которая дополняет фотоэлектрические системы, — заявили исследователи.

Доказано, что система MOST длится более 1000 циклов зарядки/разрядки с минимальным ухудшением качества, а это означает, что система может работать непрерывно в течение нескольких месяцев. Исследователи ожидают, что их гибридное устройство удовлетворит растущую потребность в чистой энергии и эффективном хранении по мере того, как мы переходим от ископаемого топлива.

Исследование опубликовано в журнале Джоуль.

Источник: СКП