Солнечные проточные батареи
Концепция заряжаемой солнцем электрохимической батареи впервые была представлена в 1976 году с использованием фотоэлектрода из поликристаллического селенида кадмия и серебросодержащего электролита. Первые системы отличались чрезвычайно низкой эффективностью, но учёные не отчаивались, продолжая поиск эффективного воплощения изящной идеи объединить устройства преобразования и хранения энергии. Сегодня в этой сфере достигнуты впечатляющие результаты.
Наиболее многообещающий подход - дополнить мембранно-электродный блок обычной проточной батареи одним или двумя фотоэлектродами, то есть полупроводниковыми структурами, предназначенными для преобразования концентрированного солнечного света.
Такая система сможет не только работать в режиме обычной проточной батареи, но и заряжать электролит с помощью носителей заряда (электронов или дырок), созданных светом в полупроводнике, а также действовать в режиме обычной фотоэлектрической ячейки, сразу выдавая вырабатываемый ток внешним потребителям.
В комплексе
Рассмотрим устройство солнечной проточной батареи на примере прототипа (рис. 1), построенного на кафедре химии Висконсинского университета в Мадисоне (США) в кооперации с учёными Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (Саудовская Аравия).
В качестве анолита используется гетероциклическое органическое соединение TEMPO, в качестве католита - дихлорид метилвиологена. Определение анода и катода дано с точки зрения процесса зарядки.
В графитовом аноде электрохимической ячейки прорезается прямоугольное окно, в которое вставлен многопереходный фотоэлектрический элемент на основе сложных полупроводников. Команда американцев и аравийцев использовала весьма сложную структуру, включающую субъячейки из фосфида индия-галлия, арсенид галлия и германия. Сверху эта структура покрыта контактной сеткой, снизу - защищена от химического воздействия анолита тонкими прозрачными слоями титана, оксида титана и платины.
В режиме проточной батареи (рис. 2А) контакт фотоэлектрода не подключён. Стоит отметить, что на рис. 2 фотоэлектрод и анод для наглядности разнесены, но в устройстве они находятся в одной плоскости. Поэтому читателю следует учитывать, что красные надписи указывают на реакции, протекающие в пространстве между анодом и мембраной. Проточная батарея работает (заряжается от внешнего источника мощности P или разряжается, питая внешнюю нагрузку) обычным способом (см. здесь), насосы прокачивают электролит через мембранно-электродный блок.
В режиме солнечной зарядки (рис. 2Б) фотоэлектрический элемент вырабатывает напряжение, которое через блок управления прикладывается между фотоэлектродом и катодом. При этом часть дырочных носителей заряда, сгенерированных фотоэлементом, забирает электроны из анолита - заряжает его. Насосы прокачивают электролит через мембранно-электродный блок. Напряжение, генерируемое трёхпереходным фотоэлементом (1,25 В), достаточно велико для заряда проточной батареи, но его не хватает для электролиза воды (основы электролита) с применением углеродных электродов.
В режиме солнечной ячейки (рис. 2В) напряжение снимается с фотоэлектрода и анода. Насосы выключены, а реакции окисления и восстановления анолита, показанные красным цветом, отражают ток между нижней стороной фотоэлемента и окружающим его графитом.
Команда исследователей из США и Саудовской Аравии добилась впечатляющих результатов. Эффективность преобразования и накопления энергии солнечного света на лабораторном стенде достигла 14,1%. Учёные отмечают, что представленные ими солнечно-проточные батареи обещают быть самодостаточными, то есть смогут работать в полностью автономном режиме, без поддержки от внешнего источника энергии.
Дальше - лучше
В своих дальнейших исследованиях интернациональный коллектив учёных попытался упростить и удешевить систему, заменив многопереходный полупроводниковый фотоэлемент на однопереходный, основанный на арсениде галлия, а также проверить её на большом количестве циклов зарядки-разрядки.
Используя недорогую подложку из арсенида галлия n-типа, исследователи вырастили на ней структуру n - p - n с туннельным диодом в качестве инжектора носителей заряда и предложили инверсную схему: подложка засвечивается с тыльной стороны. Благодаря улучшению оптических и электрических свойств фотоэлемента, повышению плотности тока и замене электролита эффективность преобразования и накопления энергии солнечного света была доведена до 15,4%.
Интересные результаты получены в экспериментах по солнечной зарядке йоднолитиевых проточных батарей. Это одноэлектролитные батареи, использующие металлический литиевый анод и йодосодержащий католит. Полупроводниковый фотопреобразователь не способен выдать напряжение, сравнимое с электродным потенциалом лития. Не удивительно, что полученная проточная батарея заряжалась внешним напряжением 2,9 В и светом, после чего выдавала в нагрузку напряжение 3,5 В. Исследователям удавалось сберечь до 20% энергии.
* * *
Если в развитии солнечных проточных батарей действительно произойдёт технологический прорыв, то они смогут заменить биотопливо. Идея проста: вместо биодизеля или биоэтанола заливать в баки автомобилей заряжённый электролит, полученный на многочисленных солнечных электростанциях и в промышленных накопителях энергии. Конечно же для этого потребуются не простые авто, а электроприводные, оснащённые мембранно-электродными блоками (по сути топливными элементами) и системами рекуперации энергии торможения. На автозаправочных станциях разряжённый электролит будет заменяться на свежезаряжённый. Такая схема позволит избежать лишней конкуренции за плодородные земли между производителями биотоплива и продуктов питания.
Перезаряжаемый электролит имеет преимущества и по отношению к так называемым солнечным топливам, получаемым химическим путём с использованием солнечной энергии. Благодаря многократному обороту электролита можно резко сократить общие энергозатраты и атмосферные выбросы.
