次世代の太陽電池のエンジニアリング

リチウムイオン電池などの二次電池は、蓄えたエネルギーを使い切ると充電する必要があります。化石燃料への依存を減らすために、科学者は二次電池を再充電する持続可能な方法を模索してきました。最近、Amar Kumar (TIFR ハイデラバードの TN Narayanan 研究室の大学院生) と彼の同僚は、太陽エネルギーで直接充電できる感光性材料を使用したコンパクトなリチウム イオン電池を組み立てました。

太陽エネルギーを使って電池を充電する最初の取り組みでは、太陽電池と電池を別々のエンティティとして使用していました。太陽エネルギーは太陽電池によって電気エネルギーに変換され、その結果、バッテリーに化学エネルギーとして蓄えられます。これらのバッテリーに蓄えられたエネルギーは、電子機器に電力を供給するために使用されます。たとえば、太陽電池からバッテリーへのように、1 つのコンポーネントから別のコンポーネントへのエネルギーのこのリレーは、エネルギーの損失につながります。エネルギーの損失を防ぐために、バッテリー自体の内部に感光性コンポーネントを使用する方法を検討する方向にシフトしました。よりコンパクトな太陽電池の形成をもたらす、電池内の感光性コンポーネントの統合に大きな進歩がありました。

設計が改善されたとはいえ、既存の太陽電池にはまだいくつかの欠点があります。さまざまなタイプの太陽電池に関連するこれらの欠点のいくつかには、十分な太陽エネルギーを利用する能力の低下、電池内の感光性有機成分を腐食させる可能性のある有機電解質の使用、および電池の持続的な性能を妨げる副生成物の形成が含まれます。長期的に。

この研究で、Amar Kumar は、リチウムを組み込むこともできる新しい感光性材料を探索し、漏れがなく、周囲条件で効率的に動作する太陽電池を構築することを決定しました。2 つの電極を持つ太陽電池は、通常、電池内の電子の流れを促進するのに役立つ安定化成分と物理的に混合された電極の 1 つに感光性色素を含んでいます。2 つの材料の物理的混合物である電極は、電極の表面積の最適な使用に制限があります。これを回避するために、TN Narayanan のグループの研究者は、単一電極として機能する感光性 MoS2 (二硫化モリブデン) と MoOx (酸化モリブデン) のヘテロ構造を作成しました。MoS2 と MoOx が化学気相堆積技術によって融合されたヘテロ構造であるため、この電極はより多くの表面積で太陽エネルギーを吸収できます。光線が電極に当たると、感光性の MoS2 が電子を生成し、同時に正孔と呼ばれる空孔を生成します。MoOx は電子と正孔を分離し、電子をバッテリー回路に転送します。

完全にゼロから組み立てられたこの太陽電池は、シミュレートされた太陽光を当てたときに良好に動作することがわかりました。この電池に使用されているヘテロ構造電極の組成は、透過型電子顕微鏡でも広く研究されています。この研究の著者は現在、MoS2 と MoOx がリチウム アノードと連携して電流を生成するメカニズムの解明に取り組んでいます。この太陽電池は、感光性材料と光とのより高い相互作用を実現しますが、リチウム イオン電池を完全に再充電するのに最適なレベルの電流を生成することはまだ達成されていません。この目標を念頭に置いて、TN Narayanan の研究室は、そのようなヘテロ構造電極が、現在の太陽電池の課題に対処する道を開く方法を探っています。