Представляем вашему вниманию статью, в которой описано такое необычное изобретение как дышащая солнечная батарея, которая работает на свету и воздухе.

Ученые Государственного Университета штата Огайо изобрели солнечную батарею – гибрид солнечного фотоэлемента и батарейки – которая перезаряжается самостоятельно за счет использования энергии света и воздуха. Конструкция требовала солнечной панели, которая могла бы захватывать свет, но при этом также впускать воздух. На снимке в этой статье (Автор фото: Йийинг Ву, Государственный Университет штата Огайо), сделанном с помощью электронного микроскопа, показано решение: стержни диоксида титана размером с нанометр (на увеличенном снимке), покрывающие поверхность квадрата титановой сетки (армированной). Дыры в сетке, через которые воздух попадает в батарею, составляют примерно 200 микрометров шириной, а титановые стержни как раз и аккумулируют свет.

Что это – солнечный элемент или самовосстанавливающаяся батарея? По сути, это изобретенное устройство, и ожидающее получения патента, является обеими этими вещами одновременно. Это – первая в мире солнечная фотобатарея.

В журнале Nature Communications от 3 октября 2014 года ученые заявляют о том, что они успешно совместили батарею и солнечный фотоэлемент в одном гибридном устройстве. Ключом к новому открытию стала сетчатая панель, которая впускает воздух в батарею, а также особый процесс перемещения электронов между сеткой и электродом батареи. Внутри самого устройства свет и кислород запускают различные химические реакции, которые и заряжают батарею.

Университет планирует получить разрешение на использование этой солнечной фотобатареи в промышленности, а профессор химии и биохимии в Государственном Университете штата Огайо, Йийинг Ву, говорит, что это открытие позволит снизить расход возобновляемой энергии.

“Вся суть состоит в том, чтобы использовать солнечную панель для захвата света, а затем использовать дешевые батарейки для хранения энергии” – заявляет профессор Ву – “Мы совместили две этих функции в одном устройстве. Каждый раз, когда вам удается сделать нечто подобное, вы снижаете расходы на производство энергии”. Профессор и его студенты полагают, что их устройство позволит сократить расходы на 25%.

Оно также решает долго существовавшую проблему эффективности солнечной энергии, т.к. обычно некоторое количество электроэнергии терялось вследствие необходимости перемещения электронов от солнечного фотоэлемента до внешней батареи, а здесь этого не происходит. Обычно только 80% электронов, полученных от солнечного фотоэлемента, доходили до батареи.

Благодаря структуре этого новейшего изобретения, свет превращается в электроны внутри самой батареи, так что почти все 100% электронов сохраняются!

Дизайн новой батареи содержит некоторые элементы высокоэффективной воздушной батареи, разработанной ранее профессором Ву и докторантом Ксяоди Реном, которая отдает заряд за счет химической реакции между кислородом и калием. В 2014 году эта разработка была удостоена премии в области разработок экологически чистой энергии в $100,000, учрежденной Министерством Энергетики США. Ученые затем основали дополнительное производственное предприятие под названием K Air Energy System, чтобы продолжить разработки.

"По сути, это – дышащая батарея,"- говорит профессор Ву. – “Она вдыхает воздух в момент отдачи тока, и выдыхает его, когда заряжается."

Для нового исследования ученые хотели совместить солнечную панель и батарейку, схожую с той, что разработали в компании K Air. Проблема была в том, что солнечные фотоэлементы обычно изготовлены из цельных полупроводниковых панелей, которые не позволяют воздуху проникнуть в батарею.

Докторант Мингже Ю разработал проницаемую сетчатую солнечную панель, изготовленную из титана. На этой панели он «вырастил», как траву, стержни, состоящие из диоксида титана. Таким образом, воздух мог спокойно проходить через сетку, в то время как стержни захватывали солнечный свет.

Как говорят ученые, чтобы соединить солнечный фотоэлемент и батарею, обычно требуется четыре электрода. Новое гибридное устройство требует всего лишь три.

Сетчатая солнечная панель формирует первый электрод. За ней ученые расположили тонкий лист пористого углерода (второй электрод) и литиевую пластину (третий электрод). Между электродами они расположили несколько слоев электролита для того, чтобы электроны могли перемещаться туда-сюда.

Вот как работает новая солнечная фотобатарея: в процессе зарядки свет попадает на сетчатую панель и появляются электроны; внутри батареи электроны участвуют в химическом разложении пероксида лития на ионы лития и кислород; затем кислород выбрасывается в воздух, а ионы лития, после захвата электронов, остаются в батарее как частички лития.

Когда батарея выбрасывает энергию, она химическим путем забирает кислород из воздуха, чтобы заново образовать пероксид лития.

Йодовая добавка в электролите действует как «шатл», который переносит электроны, перемещая их между электродом батареи и сетчатой солнечной панелью. “Использование этой добавки является особым подходом в увеличении производительности и эффективности батареи” – добавляют ученые.

Данная сетка относится к классу устройств, называемых “солнечные фотоэлементы, сенсибилизируемые красителем (такие фотоэлементы, чувствительность которых повышается с помощью определенного цвета)”, потому что ученые использовали красную краску для настройки точной длины волны света, которую должна будет захватывать батарея.

В процессе испытаний ученые постоянно заряжали и разряжали батарею, в то время как докторант по имени Лу Ма использовал рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, чтобы определить, насколько хорошо держатся материалы электрода, т.к. их прочность является индикатором жизни батареи.  

В качестве красного красителя сначала использовали рутений, но этот краситель очень быстро истощался в процессе захвата света, он кончался в батарее после 8 часов разрядок и перезарядок, что было слишком мало. Тогда они решили использовать темно-красный полупроводник, который не истощался бы: гематит (оксид железа), который в народе называют ржавчиной.

Покрытие сетки ржавчиной позволило батарее заряжаться от солнечного света, при этом сохраняя волну нужного цвета. Профессор Ву и его студенты на основании результатов первичных тестов заявляют, что срок службы такой солнечной батареи будет вполне сравним с теми аккумуляторами, которые уже представлен на рынке.

Министерство Энергетики США финансирует этот проект, который будет продолжаться, пока ученые ищут способы увеличить производительность таких батарей с помощью новых материалов.