太陽電池が李氏にインスピレーションを与える

Jun 26, 2023

2023 年 5 月 8 日のダイアログ

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Shubham Chamola および Shahab Ahmad 著、Tech Explore

太陽エネルギーは、持続可能なエネルギー源の生産とエネルギー貧困への取り組みに向けた世界的な変化の最前線にあります。 ただし、太陽エネルギーは断続的な性質があるため、IoT デバイス、ライブ リモート センシング、オフグリッド電源などの用途への使用は制限されます。 従来、バッテリーは太陽電池によって電力を供給され、後で使用するためにエネルギーを蓄えます。 ただし、これら 2 つのテクノロジーを物理的に組み合わせるには、両方のシステムを個別にパッケージングする必要があり、設置が面倒で、より多くの電極が必要になるため、デバイスのコストと抵抗損失が増加します。

さらに、これらの物理的に接続された太陽光発電 (PV) パネルとバッテリーは、環境発電と蓄電の両方を実現するためにさまざまな種類のエネルギー材料を利用するため、システム全体が大型になります。 結果として、これらの問題によりアプリケーションが制限されます。

これに関連して、実証済みの光充電式バッテリー (PRB) は、PV とバッテリーの物理的統合に伴う制限を克服するための有望なソリューションを提供できます。 PRB は、エネルギーハーベスティングとストレージを効率的に実行できる高度なナノマテリアルを使用して、単一のデバイスで太陽エネルギーのハーベスティングとストレージを同時に実行できます。 この最先端の技術は、既存の従来の PV とバッテリーの組み合わせに比べて、軽量かつ効率的であることが期待されます。

Advanced Sustainable Systems に掲載された研究の中で、インド工科大学ジョードプル校物理学科先端エネルギー材料研究所の研究者らは、酸化鉄 (ヘマタイトとしても知られる) ナノロッドが活性材料として機能し、効率的で低消費電力の材料を形成できることを実証しました。 - PRB 用途向けのコストの高い光電陰極。 高い理論比容量 (1006 mAh g-1)、地球の存在量、非毒性、環境への優しさ、および低加工技術により、酸化鉄のアルファ相はリチウムイオン電池にとって魅力的な負極材料となっています。

酸化鉄ナノロッドは、バンドギャップが約 2.1 eV であるため、可視領域の太陽放射を同時に収集し、Li イオンを効率的に貯蔵する能力を示しています。 この研究は、太陽光照射によりリチウムイオン電池の比容量の90%以上の向上が達成される変換反応メカニズムを調査することにより、スタンドアロン光充電の最初の実証を提供します。

「高度にナノ多孔性の光電陰極は、ヘマタイト、C-61 カーボン (PCBM)、カーボン ナノチューブを使用して製造されています。ヘマタイトは太陽光を吸収して光生成電荷キャリアを生成することができ、PCBM とカーボン ナノチューブの導電性添加剤は、光生成電子が集電体に到達するための適切な経路を提供します」そして光充電を開始します」と研究論文の筆頭著者であるShubham Chamola氏は述べています。

ナノ多孔質酸化鉄ナノロッドは、カーボン ナノチューブを PCBM で官能基化し、ヘマタイト ナノ粒子の NMP 溶液と混合する低コストの溶液処理技術を使用して製造されます。これにより、カーボン ナノチューブの束上に Fe2O3 ナノロッドが成長します。 光充電式電池を組み立てるために、研究者らは、光を結合するための光学窓として機能する底面に直径8 mmの穴が開けられた、改良された2032コイン電池ケースを使用した。 この窓を透明なPVCシートで密閉し、活性材料ベースの光電陰極を窓に面して配置した。

PRB は、470 nm の青色 LED で照射されたときに独立した充電を示し、1.988% の光変換および保存効率 (PCSE) を達成しました。これは、インターカレーションベースのイオンに基づいて以前に発表された結果と比較して、PRB の分野で重要な成果です。ストレージ。 2,000 mA g-1 の高電流率での白色光 LED 照明下では、PRB は比容量において 92.96% の向上を示しました。 PRB が光にさらされると、Fe2O3 ナノロッドはそのエネルギー バンド ギャップよりも高いエネルギーの光子を吸収し、光電陰極で光生成電荷キャリアを生成します。 導電性添加剤は、光電子が集電体に到達し、さらに外部回路を通ってアノードに到達するための有利な経路を提供します。

同時に、Fe2O3 に存在する光正孔が Fe0 を Fe3+ に酸化し、電解質を介して Li+ に Li 金属アノードに向かう反発力を与えます。 その結果、Liイオンがアノードで還元されてLi金属が形成され、光充電が発生します。 この現象は、抵抗放電下で OCV を記録することによってさらに実証され、光がオンになると OCV が増加し始めました。これは通常予想される現象とは反対です。 これは、PRB を放電するための現在の需要を満たすために必要な量よりも多くの光生成電荷キャリアが存在することを示唆しています。

この現象は、センサーの連続動作が必要な場合に有益である可能性があり、PRB を日中充電できるようにし、蓄えたエネルギーを夜間や太陽光がないときにデバイスに電力を供給できるようにします。 根底にあるメカニズムは、さまざまな抵抗下での OCV 分析、電気化学インピーダンス分光法、暗所および照明条件下でのサイクリックボルタンメトリーなどのさまざまな電気化学測定を実行することによってさらに研究されました。 さらに、PRB は 3 か月の製造後でも市販の 3V LED に電力を供給することができ、実証された酸化鉄ナノロッドベースの PRB は非常に安定しており、自己放電の問題に悩まされていないことが示されました。

「PRBは未来のエネルギーソリューションとして大きな期待を持っていますが、この技術はまだ初期段階にあり、確立された集積型Si太陽光発電と競争するには、効率的な材料の開発と原子レベルでのメカニズムの理解のための広範な研究が必要です」セルとリチウムイオン電池技術」とプロジェクトの主任研究員であるシャハブ・アハマド博士は述べた。

このストーリーは、研究者が出版された研究論文からの発見を報告できる Science X Dialog の一部です。 ScienceX Dialog と参加方法については、このページをご覧ください。

詳しくは： Shubham Chamola 他、ナノ多孔質 Fe2O3 光電陰極をベースにした高性能光充電式リチウムイオン電池、先進的な持続可能なシステム (2023)。 DOI: 10.1002/adsu.202300043

シャハブ・アハマド博士は現在、ジョードプル工科大学物理学部の教員として勤務し、「先端エネルギー材料グループ」を率いています。 これに先立ち、英国のケンブリッジ大学でエネルギー材料およびデバイスに幅広く取り組んできました。彼の研究分野には、リチウムイオン電池、光再充電可能なリチウムイオン電池、太陽光発電用途向けのメタルハライドペロブスカイト、太陽光利用による水分解プロセスなどがあります。 H2生産。

Shubham Chamola 氏は、IIT Jodhpur の Shabham Ahmad 博士と研究している博士課程の学生で、現在の研究分野には、高性能光再充電可能エネルギー貯蔵デバイスの開発が含まれています。

研究活動の詳細については、sites.google.com/view/shahabahmad1/home?authuser=0 をご覧ください。