Czy to jest ogniwo słoneczne? A może akumulator? Właściwie, opatentowane urządzenie wynalezione w Ohio State University to swoiste 2w1 : stanowi pierwszą tego typu baterię słoneczną na świecie.

W numerze czasopisma „Nature Communications” z dnia 3 października 2014 roku, badacze donoszą, że już powiodło się połączenie baterii i ogniw słonecznych w ramach jednego urządzenia hybrydowego.
Kluczem do innowacji jest oczkowany panel słoneczny, który pozwala na dostawanie się powietrza do wnętrza akumulatora oraz specjalny proces przenoszenia elektronów pomiędzy panelem słonecznym a elektrodą baterii. Wewnątrz urządzenia, światło i tlen uaktywniają rozmaite elementy reakcji chemicznych, które ładują baterię.
Uczelnia będzie licencjonować baterię słoneczną w perspektywie wytwarzania na skalę przemysłową, podczas gdy Yiying Wu, profesor chemii i biochemii w stanie Ohio, mówi, że to pomoże „oswoić” koszty energii odnawialnej.
„Cała sztuka w zastosowaniu paneli słonecznych polega na tym, aby uchwycić światło, a następnie użyć taniej baterii do przechowywania energii,” Wu powiedział. „Osiągnęliśmy sukces poprzez zintegrowanie obu tych funkcji w jednym urządzeniu. Taki system pozwoli na znaczące obniżenie kosztów, zwiększenie kompaktowości, spotęgowaną niezawodność, a co za tym idzie – pełną satysfakcję użytkownika”.  On i jego uczniowie uważają, że ich urządzenie obniża koszty aż o 25 procent.

Naukowcy z Ohio State University opracowali innowacyjną baterię słoneczną – połączenie ogniwa słonecznego i baterii – która ładuje się za pomocą powietrza i światła. Konstrukcja wymagała panelu słonecznego, który byłby w stanie przechwycać światło słoneczne, ale jednocześnie dopuszczać powietrze do akumulatora. Tutaj, obrazy z mikroskopu elektronowego skaningowego, które pokazują rozwiązanie: pręty z dwutlenku tytanu o rozmiarach nanometrowych (powiększenie), obejmujące powierzchnię fragmentu siatki tytanowej (wstawka). Otwory w owej siatce drucianej cechują się około 200 mikrometrową średnicą, wpuszczają powietrze do baterii, podczas gdy pręty absorbują światło. Zdjęcie dzięki uprzejmości Yiying Wu, The Ohio State University.

Wynalazek rozwiązuje również długotrwały problem wydajności systemów energii słonecznej, poprzez wyeliminowanie strat energii elektrycznej, które zwykle występują, gdy elektrony muszą podróżować między ogniwem słonecznym a zewnętrznym akumulatorem. Zazwyczaj, tylko 80 procent elektronów wychodzących z ogniwa słonecznego dociera do akumulatora.

W omawianym projekcie światło jest przekształcane na elektrony wewnątrz akumulatora, co sprawia, iż niemalże 100 procent elektronów zostaje zachowanych .
Projekt wzorowany jest na kilku sprawdzonych rozwiązaniach z baterii opracowanej wcześniej przez Wu i doktoranta Xiaodi Ren. Wymyślili akumulator zasilany powietrzem o wysokiej wydajności, który rozładowuje się przez chemiczną reakcję potasu z tlenem. Ta kapitalna myśl technologiczna zdobyła nagrodę w kategorii „Czysta Energia” o wartości 100 tysięcy dolarów z Departamentu Energii USA w 2014 roku, a naukowcy utworzyli dodatkowy projekt o nazwie KAir Energy Systems, LLC, aby jeszcze bardziej rozwinąć i udoskonalić własne dzieło.
„W zasadzie, to oddychająca bateria,” Wu powiedział. „Wciąga powietrze, kiedy się rozładowuje, i wypuszcza je, kiedy rozpoczyna ładowanie.”

Na bazie nowego zaplecza badawczego naukowcy chcieli połączyć panel słoneczny z akumulatorem, w sposób podobny do systemu KAir. Jednak prawdziwe wyzwanie polegało na tym, że ogniwa słoneczne są zwykle wykonane z litych płyt półprzewodnikowych, które blokują przepływ powietrza do akumulatora.
Tajemnice budowy hybrydowego systemu. Doktorant Mingzhe Yu zaprojektował panel słoneczny w formie przepuszczalnej siateczki z tytanowej gazy, będącej elastyczną tkaniną, na której zainicjował wzrost pionowych pręcików dwutlenku tytanu, przypominających źdźbła trawy. Powietrze przechodzi swobodnie przez gazę, podczas gdy pręty pochłaniają światło słoneczne. Normalnie w celu podłączenia ogniw słonecznych do baterii wymagane jest użycie czterech elektrod, tłumaczyli badacze. Hybrydowa konstrukcja potrzebuje ich tylko trzech.

Oczkowane panele słoneczne stanowią pierwszą elektrodę. Bezpośrednio pod, badacze umieścili cienki arkusz porowatego węgla (druga elektroda) oraz płytę litową (trzecia elektroda). Między elektrodami wciśnięto warstwy elektrolitu do przenoszenia elektronów w tę i z powrotem.
Zasada działania:
W trakcie ładowania światło uderza siateczkowy panel słoneczny i tworzy elektrony. Wewnątrz akumulatora elektrony są zaangażowane w chemiczny rozkład nadtlenku litu w jony litu i tlenu.Tlen jest uwalniany do atmosfery, a jony litowe są przechowywane w baterii jako lit metaliczny po przechwyceniu elektronów.
Po rozładowaniu, akumulator chemicznie pochłania tlen z powietrza, aby ponownie wygenerować nadtlenek litu.
Jodek, w postaci dodatku w elektrolicie, działa jako „środek transportu”, który przemieszcza elektrony i przenosi je między elektrodę baterii a „meshowy” panel słoneczny. Stosowanie dodatku reprezentuje odrębne podejście do poprawy wydajności baterii i jej osiągów, twierdzi zespół badawczy.
Charakterystyczna solarna siateczka (ang. mesh) należy do klasy urządzeń DSSC, ponieważ badacze wykorzystali czerwony barwnik do strojenia długości fali światła, którą rejestruje. Technologia DSSC stanowi skrót od słów, „Dye Sensitized Solar Cells”. Innowacyjność tejże technologii polega na wykorzystaniu syntetycznych barwników zastępujących chlorofil znajdujący się w roślinach, a sama struktura liścia imitowana jest przez nanostrukturę wytworzoną z dwutlenku tytanu. Całość zwieńczona jest przez elektrolit na bazie jodku, zlokalizowany pomiędzy barwnikiem a drugą powierzchnią przewodzącą elektryczność.
W testach, ładowano i rozładowywano baterię wielokrotnie, podczas gdy doktorant Lu Ma wykorzystywał spektroskopię fotoelektronową do analizy wytrzymałości materiałów elektrod – wyznacznik żywotności baterii.
Najpierw zastosowano związek rutenu jako czerwony barwnik, ale ponieważ barwnik był nieustannie zużywany w trakcie wychwytywania światła, akumulatorowi zabrakło związku rutenu już po ośmiu godzinach ładowania i rozładowywania – zbyt krótko jak na cykl życia akumulatora. W związku z tym, skoncentrowano się na ciemnoczerwonym półprzewodniku, który nie byłby wyczerpywany: hematycie lub tlenku żelaza – powszechnie nazywanym rdzą.
Powlekanie „siateczki solarnej” rdzą umożliwiło baterii ładowanie się wprost z promieni słonecznych przy jednoczesnym zachowaniu jej czerwonej barwy. Na podstawie wstępnych testów, Wu i jego zespół uważają, że żywotność akumulatora słonecznego będzie porównywalna do akumulatorów już obecnych na rynku.
Departament Energii USA finansuje ten projekt, bowiem będzie on kontynuowany, gdyż naukowcy badają alternatywne sposoby zwiększenia wydajności baterii słonecznej w oparciu o nowe materiały.

Opracowanie: Dastin Adamowski, KN OZE „Grzała”
Źródło: www.renewableenergyworld.com