太陽電池：新材料實現同時吸收光能和儲存能量
文章簡介
2023 年 7 月 27 日，由科爾多瓦大學和馬克斯普朗克固態研究所（德國）共同努力，將太陽電池設計為一種由豐富、無毒且易於合成的二維碳氮化物組成的新型材料。該研究成果發表在《先進能源材料》期刊上。太陽能正蓬勃發展。在生態轉型向更可持續利用能源的過程中，改善太陽能技術將光能充分吸收、轉化為能量並使其可用於滿足能源需求至關重要。在太陽能電池收集光能和家用電器等需求之間的過程中，儲存起著至關重要的作用，因為太陽能的供應具有固有的間歇性。為了簡化這一儲存過程並解決傳統電池材料的環境影響、回收或稀缺性等問題（如鋰），人們提出了「太陽電池」的概念。太陽電池將能夠捕獲光能的太陽電池和儲存能量的功能結合在一個裝置中，使得能量在需要時能夠使用。
研究內容
科爾多瓦大學物理系的研究員阿爾伯託·希梅內斯-索拉諾（Alberto Jiménez-Solano）與馬克斯普朗克固態研究所的團隊合作，探索了一種基於二維碳氮化物的太陽電池的設計特性。希梅內斯-索拉諾解釋道：“在馬克斯普朗克研究所的羅奇教授團隊曾成功合成過一種材料，能夠吸收光能並將能量儲存起來以供日後需要使用。這個想法讓我們想到可以用它來創造一種太陽電池。”為了實現這一目標，團隊首先必須找到一種方法，將這種材料（2D 鉀碳氮化物、聚氨脲）的薄層沉積下來，創造出一個穩定的結構，以便開始製造光伏裝置，因為這種材料通常以粉末形式或水合懸浮液形式存在。由於先前的工作，他們現在能夠呈現這種太陽電池設計，透過結合光學模擬和光電化學實驗，他們能夠解釋這個裝置在捕獲陽光和儲存能量方面的高效能特性。該裝置物理結構包括“具有透明導電塗層的高透明玻璃（以允許載荷傳輸）以及一系列半透明材料層（具有不同的功能）、以及另一個導電玻璃以形成電路的關閉。”該研究指出，它基本上是一種由多種不同層組成的三明治結構，其厚度已經研究得盡可能增加光吸收和儲存的水平。在這種情況下，這種提出的系統可以在兩側吸收光能，因為它是半透明的。研究團隊發現後方照明具有一定的優勢，他們成功地解釋了這一點，透過“根據實驗約束創造了一個初始的理論設計”，因為這個基礎科學專案將不僅僅停留在紙上，而且還將探索實驗極限，提出可行的太陽電池設計。這種裝置具有非常大的靈活性，既可以獲得大量的電流（例如，攝影閃光燈所需的電流），也可以維持一段時間的小電流（例如，手機所需的電流）。這個專案展示了這種裝置的效能，它由一種無害、豐富、環境可持續的材料（從尿素中提取）製成，易於合成。
結論和建議
這項研究代表著太陽能科技取得的重大突破。設計一種同時吸收光能和儲存能量的太陽電池對於推動可持續能源的發展至關重要。傳統電池所需的有害材料和鋰等稀缺資源的問題一直是環境和能源介面臨的挑戰。然而該研究利用二維碳氮化物這種無毒、豐富且易於合成的材料，成功設計出具有高效能效能的太陽電池裝置。
從技術角度看，這種新型太陽電池裝置具有多種優勢。首先它能夠在兩側吸收光能，相比傳統單側吸收的太陽電池具有更高的光能利用率。其次它能夠根據需求提供不同電流水平，從大電流的短期使用到小電流的長期使用。這種功能讓它非常適合滿足不同場景下的能源需求，例如攝影閃光燈和手機等。此外該裝置所使用的材料豐富且易於合成，減少了對有害材料和稀缺資源的依賴，有助於保護環境和實現可持續發展。
儘管該研究取得了重要成果，但在實際應用之前，仍需要進一步的研究和測試。研究人員需要繼續研究該裝置在不同實際環境中的執行情況以及適應不同製造需求和可能性的方式。此外最佳化裝置的效能和穩定性也是未來的挑戰。然而這項研究為太陽能科技的發展開闢了新的方向，對於實現可持續能源轉型具有重要意義。
最後政府、科研機構和企業應該加大投入，支援這種新型太陽電池技術的研發和應用。同時公眾也應該關注和支援可持續能源的發展，透過改變生活方式和使用習慣，減少對傳統能源的依賴，推動環境可持續和能源轉型的實現。
原文連結：https://techxplore.com/news/2023-07-solar-batteries-material-simultaneously-absorb.html
