一种基于氮化碳光阳极的新型集成太阳能电池

近年来，研究人员一直在努力创造越来越高效的太阳能技术和更可持续的电池设计。新兴的可持续能源解决方案包括太阳能电池，可以存储太阳能电池或光伏(PV)系统收集的能量的系统。

由Bettina Lotsch教授监督的马克斯普朗克固态研究所的一个研究小组最近推出了一种基于地球上丰富材料的可持续集成太阳能电池设计。他们的设计发表在《能源与环境科学》上的一篇论文中，基于双官能团氮化碳(K-PHI)光阳极，既可以吸收光又可以储存电荷。

“太阳能电池研究领域还很年轻，因此概念和想法非常多样化，具有不同程度的集成，”进行这项研究的研究人员之一Andreas Gouder告诉Tech Xplore。“集成意味着，光能转换和储能这两种功能内置到单个设备中。这可以通过不同的方法完成，例如，通过将光活性电极添加到电池中，或者 - 如此处所做的 - 通过使用双功能电极材料。然而，集成也可能影响电荷转移。

从本质上讲，当电池使用光充电时，其中一个光生电荷载流子需要从光活性电极转移到另一个“反”电极。在大多数以前开发的基于固体电极的太阳能电池中，这个过程通过外部导线发生。

Lotsch教授，Gouder和他们的同事着手创建一种电池解决方案，其中这一过程在内部发生。为此，他们引入了一种多功能隔板，将电池内的两个电极分开。

“通过这种新的更集成的机制设计概念验证设备激发了这项工作，以及使用双功能地球丰富和廉价的2D聚合物氮化碳(即氮化碳修饰'K-PHI')作为太阳能电池的光阳极，”Gouder说。“K-PHI作为太阳能电池阳极的适用性于2018年由我们小组首次调查，随后于2019年获得专利。”

研究人员创造的电池由两个电极(即阳极和阴极)以及它们之间的隔板组成。光的吸收由由K-PHI制成的阳极进行。光生电子直接存储在K-PHI中，而光生空穴则转移到阴极，由有机导电聚合物PEDOT：PSS制成。

“在几乎所有其他类似的封闭式太阳能电池设备中，这是通过外部电线完成的，”Gouder说。“在这里，转移机制发生在内部，是独特的和整流的，并且由空穴传输层(有机导电聚合物F8BT)执行。原则上，人们可以将该设备作为普通太阳能电池或普通电池进行操作(当保持在黑暗中并用施加的电流充电/放电时)，但是几种光辅助模式成为可能，所有这些都是我们研究的一部分。

Lotsch教授，Gouder和他们的同事在一系列测试中评估了他们的太阳能电池，发现它取得了非常有希望的结果。太阳能灯可以帮助太阳能电池充电或协助充电和放电过程。研究人员发现，与电池在黑暗中像传统电池一样运行时相比，应用于充电和放电过程的解决方案显着增加了94.1%的提取能量。

该研究小组提出的集成太阳能电池设计可能很快激发其他团队基于氮化碳光阳极或利用隔板制造类似的可持续电池。同时，研究人员计划进一步改进他们的技术，以提高其能源效率并促进其商业化。

“虽然光充电的效率与类似的基于光阳极的太阳能电池设备相当，但它仍然落后于更经典的双设备系统(即连接到电池的太阳能电池)，”Gouder补充道。“因此，在经典太阳能发电园区的实施需要增加光电流，才能与最先进的太阳能电池竞争。其他应用领域似乎也是可行的，例如，器件的半透明性质可能使得在无法使用传统太阳能电池的地方(例如窗户)使用器件成为可能。此外，由于电荷存储直接发生在设备上，因此它不需要电荷存储基础设施，并且可以非常分散地运行，例如，在各种微型设备中。