东方时讯网太阳能处于全球转向生产可持续能源和解决能源贫困的最前沿。然而，太阳能的间歇性限制了它在物联网设备、实时遥感和离网电源等应用中的使用。通常，电池由太阳能电池供电以储存能量以备后用。然而，这两种技术的物理结合需要两个系统的单独封装，安装起来很麻烦，并且需要更多的电极，这增加了设备的成本和欧姆损耗。
此外，这些物理连接的光伏(PV)面板和电池利用不同类型的能源材料来实现能量收集和存储，这使得整个系统体积庞大。结果，这些问题限制了应用。
在这种情况下，所展示的光充电电池(PRB)可以提供一种有前途的解决方案，以克服与PV和电池的物理集成相关的局限性。PRB可以使用先进的纳米材料在单个设备中同时执行太阳能收集和存储，可以高效地执行能量收集和存储。与现有的PV和电池的传统组合相比，这项尖端技术有望实现轻量化和高效。
PRB的光诱导转换机制
在他们发表在AdvancedSustainableSystems上的研究中，印度焦特布尔理工学院物理系高级能源材料实验室的研究人员证明，氧化铁(也称为赤铁矿)纳米棒可以作为一种活性材料，形成高效和低-用于PRB应用的成本光电阴极。高理论比容量(1006mAhg-1)、地球丰富、无毒、环境友好和低加工工艺使氧化铁的α相成为锂离子电池的有吸引力的阳极材料。
由于其约2.1eV的带隙，氧化铁纳米棒已显示出能够同时收集可见光区域的太阳辐射并有效存储锂离子的能力。这项工作通过探索转换反应机制，首次展示了独立光充电，在太阳光照射下，锂离子电池的比容量提高了90%以上。
“高度纳米孔的光电阴极是使用赤铁矿、C-61碳(PCBM)和碳纳米管制造的。赤铁矿可以吸收阳光并产生光生载流子，而PCBM和碳纳米管导电添加剂为光生电子到达集电器提供了合适的途径并启动光充电，”该研究文章的第一作者ShubhamChamola说。
纳米多孔氧化铁纳米棒采用低成本溶液加工技术制造，其中碳纳米管用PCBM功能化，并与赤铁矿纳米粒子的NMP溶液混合，导致Fe2O3纳米棒在碳纳米管束上生长.为了组装光充电电池，研究人员使用了一个改进的2032纽扣电池外壳，底部打有一个8毫米直径的孔，作为耦合光的光学窗口。该窗口用透明PVC片材密封，基于活性材料的光电阴极面向窗口放置。
当用470nm蓝色LED照射时，PRB显示出独立充电，实现了1.988%的光转换和存储效率(PCSE)，与早期发表的基于嵌入离子的结果相比，这是PRB领域的一项重大成就贮存。在2,000mAg-1的高电流速率的白光LED照明下，PRB的比容量提高了92.96%。当PRB曝光时，Fe2O3纳米棒吸收能量高于其能带隙的光子，并在光电阴极产生光生载流子。导电添加剂为光电子到达集电器并通过外部电路进一步到达阳极提供了有利的途径。
同时，存在于Fe2O3中的光空穴将Fe0氧化为Fe3+，这通过电解质向锂金属阳极提供对Li+的排斥。结果，锂离子在阳极被还原形成锂金属，导致光充电。通过在电阻放电下记录OCV进一步证明了这种现象，当灯打开时，OCV开始增加——这种现象与通常预期的相反。这表明存在的光生载流子多于满足当前对PRB放电的需求所需的载流子。
这种现象在需要传感器连续运行的情况下可能是有益的，使PRB能够在白天充电，并在夜间或没有阳光时使用储存的能量为设备供电。通过执行各种电化学测量，例如不同电阻下的OCV分析、电化学阻抗谱和黑暗和光照条件下的循环伏安法，进一步研究了潜在的机制。此外，即使经过三个月的制造，PRB也能够为商用3VLED供电，这表明所展示的基于氧化铁纳米棒的PRB非常稳定，不会出现自放电问题。
“PRBs对未来的能源解决方案有着重要的承诺;然而，这项技术仍处于起步阶段，需要对高效材料的开发进行广泛的研究，并在原子水平上理解其机制，然后才能与已建立的集成硅太阳能竞争电池和锂离子电池技术，”该项目的首席研究员ShahabAhmad博士说。
这个故事是ScienceXDialog的一部分，研究人员可以在其中报告他们发表的研究文章的发现。访问此页面以了解有关ScienceX对话以及如何参与的信息。