отрудники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) разработали новое уникальное устройство – фотоэлектрохимический суперконденсатор – способное прямо преобразовывать солнечную световую энергию в электрическую и параллельно накапливать ее с высокой плотностью в двойном электрическом слое электродов на основе различных нанопористых материалов. Разработанное устройство может быть использовано в автономных солнечных электростанциях, системах освещения, для обеспечения жизнедеятельности частных и государственных учреждений.

В современных солнечных фотоэлектрических станциях энергия Солнца прямо преобразуется в электрическую с помощью полупроводниковых солнечных элементов. Часть энергии для обеспечения бесперебойного снабжения потребителя при этом сохраняется в накопителях. В качестве накопителей в автономных солнечных электростанциях обычно используются герметичные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи с регулируемым клапаном (Valve Regulated Lead Acid – VRLA). Однако цена за 1 kWh энергии, отдаваемой таким аккумулятором в течение всего срока службы, составляет немало – 0,3–0,35 $USА. Сотрудники ФИАН нашли способ уменьшения стоимости солнечной электроэнергии. С этой целью, а также с целью продлить срок службы накопителя энергии солнечных электростанций в Троицком технопарке ФИАН была смоделирована и разработана конструкция принципиально нового устройства – фотоэлектрохимического суперконденсатора (Photoelectrochemical Supercapacitor-PES), совмещающего в себе полупроводниковый солнечный элемент и накопитель энергии с двойным электрическим слоем на основе нанопористых материалов.

Устройство состоит из многокомпонентного фотоэлектрода (он может быть изготовлен на основе различных полупроводниковых материалов), нанопористых отрицательного и положительного электродов, пористого сепаратора, разделяющего положительный и отрицательный электроды, и электролита.

Сначала солнечный свет поглощается фотоэлектродом, в результате чего возбуждаются электронно-дырочные пары. Это стандартный процесс – поглощенный квант света переводит электрон на другой, более высокий, энергетический уровень, он становится свободным, а на его месте образуется свободная дырка. Дальше в фотоэлектроде происходит быстрое разделение электронов и дырок, что создает концентрации свободных фотоэлектронов и фотодырок. Фотоэлектроны переносятся в объем стенок пор нанопористого отрицательного электрода, а фотодырки по внешней цепи – в положительный электрод. При этом заряд избыточных электронов в стенках нанопор отрицательного электрода компенсируется зарядом концентрированных у поверхности стенок положительных ионов электролита", – рассказывает руководитель проекта, начальник лаборатории Гелиоэнергетики Троицкого технопарка ФИАН, кандидат физ.-мат. наук Самвел Казарян.

В результате описанных процессов на границе раздела «стенка нанопоры – электролит» по всей развитой поверхности отрицательного электрода образуется двойной электрический слой (EDL). По мере зарядного процесса фотогенерированные электроны накапливаются в его электрической емкости, что поляризует электрохимический потенциал отрицательного электрода в область отрицательных значений. А в положительном электроде аналогичным образом образуется двойной электрический слой из фотодырок и отрицательных ионов электролита. В качестве положительных электродов PES-фотоконденсаторов используются также различные пористые окислительно-восстановительные материалы. Во время заряда активный материал положительного электрода окисляется, а при разряде – восстанавливается.

Заряд солнечным излучением, – дополняет Самвел Казарян, – приводит к увеличению напряжения и, соответственно, накоплению электроэнергии в двойном электрическом слое обоих электродов, а во время разряда происходят обратные процессы – электроны и дырки двойного электрического слоя электродов рекомбинируют, и фотоконденсатор, отдавая запасенную энергию, возвращается в исходное положение".

Рис. 1. Конструкция и принцип работы PES-фотоконденсатора: 1 – Фотоэлектрод, 2 – Отрицательный электрод, 3 – Положительный электрод, 4 – Сепаратор, 5 – Электролит (в порах электродов и сепаратора).

Для изготовления электродов устройства предлагается использовать нанопористые углеродные материалы с заданным средним размером нанопор. Благодаря нанопористой структуре один грамм таких материалов будет иметь площадь поверхности до 1400–1600 м2, а электрическую емкость (в некоторых электролитах) – до 1500 фарад. Это означает, что каждый кубический сантиметр «нанопористого конденсатора» способен накопить в среднем в 1 000 000 раз больше энергии, нежели обычный классический конденсатор.

Создание принципиально нового устройства, которым является PES-фотоконденсатор, связано с применением современных достижений в различных областях фундаментальных и прикладных наук – физики полупроводников, нанотехнологии, электрохимии, материаловедения. При этом следует помнить, что для широкого практического применения таких конденсаторов важны экономические и удельные энергетические показатели. Расчетная цена 1 kWh выработанной электроэнергии PES-фотоконденсатора составляет около 0,1$USA, то есть в 3–3,5 раза дешевле, чем сейчас – а это очень неплохой экономический эффект", – комментирует руководитель отдела Новых технологий Троицкого технопарка ФИАН, кандидат физ.-мат. наук Николай Стародубцев.

Состав и особенности конструкции (в частности, материалы и структура фотоэлектрода, размеры нанопор, физические, электрические и электрохимические свойства нанопористых материалов электродов, тип и параметры электролита и т.п.) каждого такого устройства будут зависеть от природных условий и географического места эксплуатации, а также от требуемых выходных параметров и режимов эксплуатации. Для того чтобы учесть все возможные факторы использования разработанного устройства и создать солнечные PES-фотоконденсаторы с оптимальными техническими параметрами, ученые создали теоретическую расчетную модель.

Для создания этой модели использовались результаты наших теоретических и экспериментальных работ, проведенных в различных областях науки и технологий в течение более 30 лет. Она представляет собой систему уравнений, которая, исходя из заданных входных/выходных параметров и условий использования, позволяет рассчитать все необходимые параметры. Это достаточно трудоемкая работа, но если подбирать систему экспериментальным путем, то понадобится несколько лет. Ведь нужно иметь ввиду, что это уже квантоворазмерные структуры, параметры которых сильно взаимосвязаны, и несущественное изменение одного параметра любого компонента приводит к кардинальным изменениям – энергетических, мощностных и эксплуатационных параметров устройства в целом", – объясняет Самвел Казарян.

Как показывают проведенные расчеты, PES-фотоконденсаторы могут обладать удельной разрядной энергией не менее 12 Wh/kg, энергетической эффективностью 10% и циклическим ресурсом более 7 000 циклов (а это более 15 лет непрерывной эксплуатации). В настоящее время специалисты Троицкого технопарка ФИАН уже занялись отработкой технологий изготовления и исследованиями фундаментальных свойств отдельных компонентов фотоэлектрода и нанопористых углеродных материалов с заданными параметрами. Планируется изготовить и испытать различные образцы солнечных фотоконденсаторных элементов с номинальной электрической емкостью в интервале 10 – 10 000F. Предполагается, что при достаточном уровне финансирования для изготовления и тестирования основных параметров первых образцов PES-фотоконденсаторов с удельной разрядной энергией до 10 Wh/kg понадобится около 2,5 лет, а для изготовления прототипов промышленных образцов – 4 года.

По материалам: