单一设备融合了太阳能和电池技术

电池价格的下降使电池能够在两种情况下与可再生系统集成。其中之一是，电池充当短期蓄电池，以平息可再生电力输出的短期波动。在另一种情况下，电池为可再生电力生产停止时提供电力，就像太阳能在夜间所做的那样。这对于离网使用非常有效，但由于需要额外的硬件来转换电压和电流，因此增加了一些复杂性。

但实际上还有一个额外的选择，那就是将光伏和电池硬件合并到一个单一的、统一的设备中，可以有很大的存储容量。主要缺点是什么？这些设备要么不稳定，要么效率很差。但是，一个国际研究团队已经组装了一种既稳定又具有与硅板竞争的效率的设备。

你是如何集成光伏电池和电池的？最简单的做法是制作一个电极，将光伏系统中的电能输送到电池的电极中。这听起来像是一件大事，但整合远没有那么简单。毕竟，电池电极必须与电池的化学成分相兼容-例如，对于锂离子电池，电极最终会自行存储离子，因此必须具有允许这一点的结构。

因此，研究人员使用了一种完全不同的化学物质。液流电池使用两种化学物质的溶液，可以进行电荷交换反应，使它们在两种化学状态之间转换。电池基本上是借用这些电荷，以便在放电时产生电流，或者它将电荷抽回，将化学物质转换到它们的交替状态，从而给电池充电。液流电池的优点在于，它们的总存储容量仅取决于您使用的溶液的总体积。

虽然有许多化学物质能够在液流电池中工作，但研究人员从他们的光伏系统开始，并用它来选择电池的化学成分。

即使在这里，他们也不完全使用现成的硬件。这里面有硅，但它是双层太阳能电池的一部分。在这个装置中，一种光伏材料吸收一组不被第二层吸收的波长；相反，第一层对被第二层吸收的那些波长是透明的。这使得单个电池吸收的波长范围比其他情况下大得多，从而提高了整体效率。

对于他们的设备来说，底层是硅。最上面是一层钙钛矿型光伏材料。钙钛矿是一种潜在的下一代太阳能材料，很有用，因为它们是由廉价的原料制成的，只需蒸发钙钛矿的溶液就可以产生钙钛矿。不幸的是，这些化学物质也有腐烂的倾向，这使得许多实验装置的寿命很短。这里的研究人员不会试图解决所有这些问题；他们只是使用硅基钙钛矿型光伏装置，并且不会试图运行足够长的时间，以至于化学腐烂是一个问题。

研究人员的关键概念是从这种光伏材料开始，并将电池的化学成分与其特性相匹配。光伏电池的电压基于材料的带隙(电子的绝缘和导电状态之间的电压差)。根据为电池供电的两种化学状态之间的能量差，电池的电位也是以伏特为单位测量的。研究人员推断，与这些电压相匹配，你会得到一个效率高得多的系统。

因此，利用他们的光伏硬件上的数据，他们能够识别出一种电位与其电压相匹配的液流电池化学物质。(实际的化学反应涉及两个不同的有机分子之间的反应，即双(三甲基氨基)丙基紫精和4-三甲基铵-TEMPO。(因为我相信你会问的。)。使这些化学物质在它们的两种状态之间发生的反应足够快，以至于它们在没有催化剂的情况下发生，这简化了电极的使用。

这一点很重要，因为液流电池的另一个问题是，它们的化学物质往往也会与许多光伏材料发生反应，这将极大地缩短这些设备的寿命。因此，研究人员在硅上覆盖了一层薄薄的金，它既是导电的，又是惰性的。显然，如果要广泛生产，更便宜的惰性金属会更好。

由此产生的硬件可以在三种模式中的任何一种模式下运行：作为太阳能电池提供电力，使用阳光作为电池充电，或者作为电池提供电力。

之前的太阳能液流电池记录显示了这些设备所面临的权衡。研究人员使用了一种名为太阳能输出电效率(SOEE)的效率衡量标准。最有效的太阳能流动装置达到了14.1%，但由于电池和光伏材料之间的反应，寿命很短。更稳定的，寿命超过200小时的，只有5%到6%的SOEE。

这种新材料的SOEE在21%左右-与市场上已经上市的太阳能电池大致相同，与该设备本身的光伏硬件的效率相差不远。而且它们的性能在400多次充放电循环中都是稳定的，这意味着至少500小时。虽然它们最终可能会腐烂，但在测试期间没有迹象表明会发生这种情况。这两个都是非常非常重要的进步。

显然，考虑到电池和光伏电池都有可能持续几十年，500小时不应该被视为决定性的测试--特别是对于一个被提议用来实现离网电力生产的设备而言。但是，电压匹配提供如此大的效率提升的证明应该会让研究人员识别出更广泛的电池和光伏化学物质，这些化学物质已经提高了效率。这一点完成后，研究人员将能够在那些稳定的配置中进行搜索。所有这些是否与低成本和大规模生产兼容将是关键问题。但是，在可再生能源革命的这个阶段，有更多的选择可以探索只能是一件好事。