Новая солнечная батарея хранит энергию в жидкой форме

Быстрое распространение электрификации в сельской местности требует развития новых подходов к этому вопросу. Многообещающее решение — это недорогие и в то же время компактные встроенные солнечные батареи. Однако тут есть проблема — нужны батареи с высокой эффективностью и в то же время стабильные, с длительным сроком службы. Международная команда ученых, возглавляемая специалистами из Висконсинского университета в Мадисоне (США), объединила несколько технологий, чтобы получить высокопроизводительные и долговечные солнечные батареи. Работа опубликована в журнале Nature Materials.

КПД солнечной проточной батареи достиг рекордного значения 20,1%. Это выше, чем у большинства доступных солнечных элементов на основе кремния

Во-первых, ученые использовали основную идею проточных аккумуляторов, которые считаются батареями будущего. В частности, речь идет об окислительно-восстановительных (редокс) батареях, которые работают на основе взаимодействия жидкостей-электролитов, которые хранятся в отдельных баках и перемешиваются в специальной ячейке, где и производится электрический ток.

В случае с солнечными батареями электричество, полученное от солнечного элемента, заряжает одну из жидкостей, которая может оставаться заряженной практически бесконечно. Когда пользователю требуется электрическая энергия, жидкости-электролиты точно так же вступают в химическую реакцию в отдельной ячейке и на выходе производится электрический ток.

Во-вторых, исследователи заимствовали технологию гибридных солнечных элементов на основе перовскита и кремния — они отличаются высокой эффективностью, т.к. кремний и перовскит захватывают световые волны различной длины, и невысокой стоимостью.

Инновационную солнечную батарею проектировали на основе методов численного анализа — это позволило достичь оптимального напряжения. Ученые определили, какие химические вещества будут работать при идеальном напряжении, чтобы сделать эффективность изобретения максимально возможной. В итоге остановились на двух органических соединениях, растворенных в соленой воде, и последующие испытания подтвердили, что это был правильный выбор.

Схема солнечной проточной батареи. Солнечная батарея подключается к резервуарам с солевым раствором химических веществ, которые хранят электричество для последующего использования. Изображение: Wenjie Li/UW-Madison

В результате КПД новой солнечной батареи составил 20,1% — это очень хороший результат для такого типа источника энергии. В теории, современные системы солнечных батарей имеют КПД до 25%, но в реальности этот показатель не превышает 15%. Кроме того, увеличился срок службы устройства — оно способно сохранять высокую эффективность в течение сотен часов и циклов перезарядки. В обычных проточных аккумуляторах кислотные электролиты вызывают коррозию емкостей, где они хранятся.

«Вы получаете 20-процентную эффективность в любое время, – говорится в исследовании. – Можно использовать полученное электричество сразу же или, например, вечером из хранилища. Вы все равно получите 20%».

Предложенная концепция поможет оптимизировать интегрированные системы преобразования и хранения солнечной энергии. Сейчас та же команда исследователей изучает способы масштабирования своей разработки и дальнейшего снижения ее себестоимости, чтобы новые солнечные батареи можно было использовать в быту.