太阳能电池激发锂离子电池的灵感
太阳能处于全球向生产可持续能源和解决能源贫困转变的最前沿。然而，太阳能的间歇性限制了其在物联网设备、实时遥感和离网电源等应用中的使用。传统上，电池由太阳能电池供电，以存储能量以供以后使用。然而，这两种技术的物理组合需要两个系统单独封装，安装繁琐，并且需要更多的电极，这增加了器件的成本和欧姆损耗。
此外，这些物理连接的光伏(PV)面板和电池利用不同类型的能源材料来实现能量收集和存储，这使得整个系统变得笨重。因此，这些问题限制了应用程序。
在这种情况下，所展示的光充电电池(PRB)可以提供一种有希望的解决方案，以克服与光伏和电池物理集成相关的限制。PRB可以使用先进的纳米材料在单个设备中同时进行太阳能收集和存储，从而可以有效地进行能量收集和存储。与现有的光伏和电池的传统组合相比，这项尖端技术有望实现轻量化和高效。
PRB的光诱导转换机制
在印度理工学院焦特布尔物理系先进能源材料实验室的研究中，他们证明氧化铁(也称为赤铁矿)纳米棒可以作为活性材料，形成用于PRB应用的高效和低成本的光电阴极。高理论比容量(1006 mAh g-1)、地球丰度、无毒、环境友好和低加工技术使氧化铁的α相成为锂离子电池的有吸引力的负极材料。
氧化铁纳米棒由于其~2.1 eV的带隙而显示出同时在可见光区域收集太阳辐射并有效储存锂离子的能力。本工作通过探索转换反应机理，首次展示了独立光充电，其中在太阳照明下锂离子电池的比容量提高了90%以上。
“高度纳米多孔的光电阴极是用赤铁矿，C-61碳(PCBM)和碳纳米管制造的。赤铁矿可以吸收阳光并产生光生电荷载流子，而PCBM和碳纳米管导电添加剂为光生电子到达集流体并启动光充电提供了合适的途径，“该研究文章的第一作者Shubham Chamola说。
采用低成本溶液处理技术制备了纳米多孔氧化铁纳米棒，其中碳纳米管与赤铁矿纳米颗粒的NMP溶液混合，导致Fe2O3碳纳米管束上的纳米棒。为了组装光充电电池，研究人员使用了一种改进的2032纽扣电池外壳，底部打了一个直径为8毫米的孔，作为耦合光的光学窗口。该窗口用透明PVC板密封，并将基于活性材料的光电阴极面向窗口放置。
PRB在470 nm蓝色LED照明下表现出独立充电，实现了1.988%的光转换和存储效率(PCSE)，与之前发表的基于插层离子存储的结果相比，这是PRB领域的重大成就。白光下 LED 照明，电流速率为 2，000 mA g-1，专利复审委员会的特定能力提高了92.96%。当PRB暴露在光线下时，铁2O3纳米棒吸收高于其能带隙的能量光子，并在光电阴极产生光生电荷载流子。导电添加剂为光电子到达集流体并通过外部电路进一步到达阳极提供了有利的途径。
同时，铁中存在光孔2O3氧化铁0到铁3+它通过电解质向锂金属阳极提供对Li的排斥。结果，锂离子在阳极处被还原形成锂金属，导致光充电。通过在电阻放电下记录OCV进一步证明了这种现象，当灯打开时，OCV开始增加 - 这种现象与通常的预期相反。这表明存在更多的光生电荷载流子，而不是满足当前放电PRB需求所需的电荷载流子。+
这种现象在需要传感器连续运行的情况下可能是有益的，使PRB能够在白天充电，并在夜间或没有阳光的情况下使用存储的能量为设备供电。通过进行各种电化学测量，如不同电阻下的OCV分析、电化学阻抗谱和黑暗和照明条件下的循环伏安法，进一步研究了潜在的机理。此外，经过三个月的制造，PRB仍能够为商用3V LED供电，这表明所展示的基于氧化铁纳米棒的PRB具有高度稳定性，并且不会出现自放电问题。
“PRB对未来的能源解决方案具有重要前景;然而，这项技术仍处于起步阶段，需要广泛的研究来开发高效材料，并在原子水平上了解其机制，然后才能与已建立的集成硅太阳能电池和锂离子电池技术竞争，“该项目的首席研究员Shahab Ahmad博士说。