Ett team av forskare från Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) har utvecklat en billig, lättvikt, och giftfritt (blyfritt) fotobatteri som har dubbla funktioner för att skörda solenergi och lagra energi på en enda enhet, gör det möjligt att ladda ett batteri under solen, utan att behöva ansluta enheten till väggen.

Den ökande efterfrågan på hållbara energikällor har lett till ett ökat intresse för solenergi och utveckling av lagringsenheter för den. En sådan enhet, fotobatteriet, kan både generera och lagra energi i en enda enhetsarkitektur. I teorin, denna design bör tillåta ökad energilagringseffektivitet och energitäthet, samtidigt som de ohmska förlusterna minskar, lätta på förpackningskraven och därmed minska vikten, huvuddelen, och kostnaden för systemet. I verkligheten, dock, det dåliga gränssnittet mellan material tenderar att skapa problem med laddningstransport, vilket kraftigt minskar effektiviteten jämfört med det enkla systemet med en solcell kopplad till ett externt batteri.

Ett team ledd av prof. Jonathan Eugene HALPERT, biträdande professor från Institutionen för kemi vid HKUST, har gjort framsteg mot att utveckla effektivare fotobatterier genom att utöka användbarheten av en klass av material som kallas perovskite, som har haft tillämpningar inom solceller och nu senast inom batterier. Perovskithalogeniden som teamet utvecklade fungerar som en fotoelektrod som kan skörda energi under belysning utan hjälp av en extern belastning i ett litiumjonbatteri, och står i skarp kontrast till sin befintliga motsvarighet eftersom den inte innehåller bly, därför har den högre stabilitet i luften och är fri från bekymmer med blyförgiftning. För sin forskning, laget har ersatt bly med vismut (Bi), ett giftfritt element, och bildande av ett starkt ljusabsorberande kristallint material.

Litiumjonbatteriet fungerar genom att låta elektroner flytta från ett högenergitillstånd till ett lägre, medan du utför arbete i en extern krets. Fotobatteriet har en mekanism som liknar ett vanligt batteri förutom att det inte behöver förses med ström eller kopplas in i väggen för att laddas elektriskt, men kan laddas fotoelektriskt under solen. Det aktiva materialet i detta nya batteri är den blyfria perovskiten som, när den sätts under ljus, absorberar en foton och genererar ett par laddningar, känd som en elektron och ett hål. Teamet genomförde krono-amperometriexperiment under ljus och mörker för att analysera ökningen av laddningsström som orsakas av ljuset, och registrerade en fotokonverteringseffektivitet på 0,428 % vid fotoladdning av batteriet efter den första urladdningen. Nästa steg i teamet är att experimentera med olika material för bättre prestanda och effektivitet, så att fotobatteriet kan kommersialiseras på marknaden.

"För närvarande, vi kopplar in alla våra apparater i väggen för att ladda dem. Med ytterligare utveckling inom detta område av fotobatterier, vi kanske inte behöver koppla in dem alls i framtiden, ", sa Prof. Halpert. "Vi kanske kan skörda solenergi och använda den för att uppfylla strömkraven för alla enheter med blygsamma energibehov. Vårt arbete är ett av de första stegen som tagits inom detta område, och, självklart, många förbättringar kommer att behövas för att uppnå bättre prestanda, men vi är övertygade om att vi kan förbättra dess stabilitet och genomsnittliga effektivitet med ytterligare förfining."

Detta fotobatteri kan fungera som det inbyggda batteriet för enheter som smartphones eller surfplattor, och till och med fjärrlagring av energi, vilket kan göras enkelt med dessa fotobatterier eftersom de är lätta och bärbara. Det bör också bidra till lägre produktionskostnad jämfört med ett system som består av en solcell plus ett externt batteri eftersom endast batteridelen krävs.

Denna studie publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Nanobokstäver .