Сотрудники 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.

Ученые говорят, что 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 кВт/ч энергии, отдаваемой таким аккумулятором в течение всего срока службы, составляет немало - 0,3-0,35 долларов.

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".

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 кВт выработанной электроэнергии PES-фотоконденсатора составляет около 0,1 доллара, 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.

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.