هندسة بطاريات الجيل القادم التي تعمل بالطاقة الشمسية

تحتاج البطاريات الثانوية ، مثل بطاريات الليثيوم أيون ، إلى إعادة شحنها بمجرد استخدام الطاقة المخزنة.في محاولة لتقليل اعتمادنا على الوقود الأحفوري ، كان العلماء يستكشفون طرقًا مستدامة لإعادة شحن البطاريات الثانوية.في الآونة الأخيرة ، قام Amar Kumar (طالب دراسات عليا في مختبر TN Narayanan في TIFR Hyderabad) وزملاؤه بتجميع بطارية ليثيوم أيون مدمجة بمواد حساسة للضوء يمكن إعادة شحنها مباشرة باستخدام الطاقة الشمسية.

استخدمت الجهود الأولية لتوجيه الطاقة الشمسية لإعادة شحن البطاريات استخدام الخلايا الكهروضوئية والبطاريات كوحدات منفصلة.يتم تحويل الطاقة الشمسية بواسطة الخلايا الكهروضوئية إلى طاقة كهربائية يتم تخزينها بالتالي كطاقة كيميائية في البطاريات.ثم يتم استخدام الطاقة المخزنة في هذه البطاريات لتشغيل الأجهزة الإلكترونية.يؤدي هذا التتابع للطاقة من مكون إلى آخر ، على سبيل المثال ، من الخلية الكهروضوئية إلى البطارية ، إلى فقدان بعض الطاقة.لمنع فقدان الطاقة ، كان هناك تحول نحو استكشاف استخدام المكونات الحساسة للضوء داخل البطارية نفسها.تم إحراز تقدم كبير في دمج المكونات الحساسة للضوء داخل البطارية مما أدى إلى تكوين بطاريات شمسية أكثر إحكاما.

على الرغم من تحسن التصميم ، لا تزال البطاريات الشمسية الحالية بها بعض العيوب.تتضمن بعض هذه العيوب المرتبطة بأنواع مختلفة من البطاريات الشمسية: انخفاض القدرة على تسخير ما يكفي من الطاقة الشمسية ، واستخدام الإلكتروليت العضوي الذي قد يؤدي إلى تآكل المكون العضوي الحساس للضوء داخل البطارية ، وتشكيل المنتجات الجانبية التي تعيق الأداء المستدام للبطارية في على المدى الطويل.

في هذه الدراسة ، قرر Amar Kumar استكشاف مواد جديدة حساسة للضوء يمكنها أيضًا دمج الليثيوم وبناء بطارية شمسية من شأنها أن تكون مانعة للتسرب وتعمل بكفاءة في الظروف المحيطة.عادةً ما تشتمل البطاريات الشمسية التي تحتوي على قطبين كهربائيين على صبغة حساسة للضوء في أحد الأقطاب الكهربائية الممزوجة ماديًا بمكون استقرار يساعد على دفع تدفق الإلكترونات عبر البطارية.القطب الذي هو خليط مادي من مادتين له قيود على الاستخدام الأمثل لمساحة سطح القطب.لتجنب ذلك ، ابتكر باحثون من مجموعة TN Narayanan بنية غير متجانسة من MoS2 الحساس للضوء (ثاني كبريتيد الموليبدينوم) و MoOx (أكسيد الموليبدينوم) ليعمل كقطب كهربائي واحد.نظرًا لكونه بنية غير متجانسة حيث تم دمج MoS و MoOx معًا بواسطة تقنية ترسيب البخار الكيميائي ، فإن هذا القطب يسمح بمساحة أكبر لامتصاص الطاقة الشمسية.عندما تضرب أشعة الضوء القطب ، يولد MoS2 الحساس للضوء إلكترونات ويخلق في نفس الوقت شواغر تسمى الثقوب.يحافظ MoOx على الإلكترونات والثقوب بعيدًا ، وينقل الإلكترونات إلى دائرة البطارية.

تم العثور على هذه البطارية الشمسية ، التي تم تجميعها بالكامل من الصفر ، تعمل بشكل جيد عند تعرضها لضوء الشمس المحاكي.تمت دراسة تركيبة القطب غير المتجانسة المستخدم في هذه البطارية على نطاق واسع باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ أيضًا.يعمل مؤلفو الدراسة حاليًا على اكتشاف الآلية التي يعمل بها MoS2 و MoOx جنبًا إلى جنب مع أنود الليثيوم مما يؤدي إلى توليد التيار.بينما تحقق هذه البطارية الشمسية تفاعلًا أعلى للمواد الحساسة للضوء مع الضوء ، إلا أنها لم تحقق بعد مستويات مثالية من التيار لإعادة شحن بطارية ليثيوم أيون بالكامل.مع وضع هذا الهدف في الاعتبار ، يستكشف مختبر TN Narayanan كيف يمكن لمثل هذه الأقطاب الكهربائية غير المتجانسة أن تمهد الطريق لمواجهة تحديات البطاريات الشمسية الحالية.