نخستین باتری خورشیدی جهان که با هوا و نور، خود را شارژ می‌کند

امروزه هدفی که بیشتر پژوهشگران حوزه‌ی انرژی دنبال می‌کنند همراه کردن یک سلول خورشیدی با یک باتری کوچک و ارزان است تا بتوان از انرژی خورشیدی همیشه بهره برد؛ اما کاری که این پژوهشگران به انجام رساندند ساخت ابزاری است که بتواند هر دوی این‌ها را همزمان در خود جای دهد که این موجب کاهش هزینه‌ی نهایی تولید خواهد شد.

این طراحی جدید از ۳ الکترود بهره می‌برد که با طراحی چهار الکترود رایج، متفاوت است. در قسمت زیر این باتری، یک صفحه‌ی لیتیومی قرار دارد در حالی که یک لایه‌ی الکترولیت بالای آن، سپس یک لایه‌ی متخلخل از صفحه‌ی کربنی و مجددا لایه‌ای دیگر از الکترولیت درون آن قرار داد. در بالا تیز توری نفوذ پذیری از جنس تیتانیوم قرار گرفته است که در خود رنگدانه‌های حساس دی اکسید تیتانیوم را جای داده است. همانطور که در عکس مشاهده می‌کنید این لایه بیشتر شبیه به جنگلی از بوته‌ها به نظر می‌رسد البته در مقیاس یک میکرومتر و قرار است این لایه در بر خورد با نور خورشید یون‌های تریودید تولید کند. این یون‌ها سپس به سمت الکترود اکسیژن سرازیر می‌شوند جایی که قرار است به پراکسید لیتیوم تبدیل شوند.

وقتی این باتری در مدار قرار می‌گیرد، پراکسید لیتیوم به یون‌های لیتیوم و اکسیژن تفکیک می‌شود که اکسیژن وارد اتمسفر شده و یون‌های لیتیوم نیز در بخش فلز لیتیوم ذخیره می‌شوند. با مصرف شدن شارژ باتری چرخه به صورت معکوس شده و با گرفتن اکسیژن هوا از محیط اطراف و مصرف آن پراکسید لیتیم را مجددا تولید می‌کند، این چرخه می‌تواند بارها ادامه پیدا کند و باتری همواره شارژ خواهد ماند.

توری که بر بالای این باتری قرار می‌گیرد با استفاده از رنگدانه‌های قرمز رنگی که از ترکیبات روتنیوم است پوشیده شده است که وظیفه‌ی آن تبدیل طول موج نور دریافتی است. این رنگدانه‌ها نور را جذب می‌کنند و با آزاد کردن الکترون، بار محلول پایینی خود را ثابت نگه می‌دارند. متاسفانه این رنگدانه‌ها پس از ۸ ساعت ادامه‌ی چرخه‌ی شارژ و دشارژ باتری به پایان می‌رسند که برای کاربرد به عنوان یک باتری خورشیدی بسیار کوتاه است. این پژوهشگران برای رفع این مشکل از زنگ آهن به عنوان جایگزین رنگدانه مصنوعی اکسید تیتانیوم بهره بردند که به نظر بازدهی بهتر و پایداری بسیار بالاتری دارد، به طوری که می‌توان امیدوار بود با استفاده از آن بتوان باتری‌های بسیار بهتری را ساخت.

در صورتی که این پژوهشگران بتوانند ماده‌ای بهتر و با بازدهی 100 درصدی در مقایسه با بازدهی 80 درصدی کنونی جهت جایگزینی اکسید تیتانیوم بیابند، که البته پایداری بهتری نیز داشته باشد می‌توان امیدوار بود که به زودی شاهد باتری‌های خورشیدی به صورت تجاری خواهیم بود. با استفاده از چنین باتری‌هایی صرفه جویی بسیار زیادی در هزینه‌های انرژی خواهد شد چراکه بیش از 25 درصد انرژی مورد نیاز برای شارژ باتری‌ها در طی فرایند تولید و انتقال اتلاف می‌شود که با توجه به میزان مصرف این انرژی مقدار قابل توجهی به شمار می‌رود.

جزییات این پژوهش را می‌توانید در نشریه‌ی علمی Nature Communications مطالعه نمایید.