Vanadium Redox flow battery integrating CIGS modules

Wissenschaftler des spanischen IREC Catalonia Institute for Energy Research und der finnischen Aalto University haben Vanadium Redox Flow Batteries (VRFBs) mit Mini-Solarmodulen auf der Basis von Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS) in einem einzigen Gerät kombiniert, um ihre hohe Energiedichte zu nutzen.

Die Forscher sagten, dass die hohe Spannung der VRFBs eine Herausforderung für die Integration der PV-Geräte darstellte, da erstere den Ladezustand der Batterie kontinuierlich erhöhen, während die PV-Einheit den Energiebedarf des Speichersystems richtig erfüllen muss.

„Die größte Herausforderung, die für das integrierte System gelöst werden muss, besteht darin, den maximalen PV-Leistungspunkt und die Redox-Flow-Batterie unter Berücksichtigung der inhärenten Potentialverschiebung der letzteren anzupassen“, sagten sie.

Sie integrierten Mini-Panels des amerikanischen CIGS-Spezialisten SoloPower als eingebettete Fotoelektroden ohne zusätzliche Leistungselektronik in die Batterien. Die CIGS-Folie wurde in kleine Zellen von 5,1 cm2 bis 5,3 cm2 geschnitten,. Die Forschungsgruppe verwendete sie, um dreizellige und vierzellige PV-Module herzustellen, die sie als „3 CM“ bzw. „4 CM“ bezeichneten. Die Paneele hatten unterschiedliche Leerlaufpotentiale und Stromdichten.

„Die endgültigen geometrischen Bereiche der 3 CM und 4 CM waren 16 und 20,4 cm2“, sagten die Forscher.

Die photounterstützten Lade-/Entladeversuche wurden in einer angepassten elektrochemischen Zelle durchgeführt. Das CIGS-Modul wurde durch Kopplung auf der negativen Seite der Zelle zwischen dem Poly (Methylmethacrylat) (PMMA) -Fenster und dem Graphitstromkollektor integriert. Eine Referenzelektrode wurde in die negative Seite der Zelle eingeführt.

Die Wissenschaftler beleuchteten die Paneele mit einem Sonnensimulator PEC-L01. Sowohl der von der PV-Anlage erzeugte Fotostrom als auch das Leerlaufpotential in der Zelle wurden mit einem biologischen Potentiostaten VMP3 verfolgt, der die Spannung steuert und den resultierenden Strom misst.

Die Wissenschaftler behaupteten, dass der Test zeigte, dass die CIGS-Zellen eine Leerlaufspannung von 0,6 V, einen Kurzschlussstrom von 35 mA cm2 und einen Wirkungsgrad von 10,3% aufwiesen.

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“ Alternative Verbindungsstrategien wie die monolithische Verbindung könnten wahrscheinlich zu besseren Solarzelleneffizienzen führen als die in der vorliegenden Arbeit verwendete Tabbing-Methode „, erklärten sie.

Die für die Mini-Panels erzielten Leerlaufspannungswerte waren laut der Forschungsgruppe hoch genug, um die unvoreingenommene Photoladung im Gerät zu erreichen. Die Potentialänderung der Batteriezellenspannung bestimmte jedoch eine Photostromabnahme. Im 4CM-Panel erreichte es 21%, im 3CM-Modul jedoch 59%. Dies zeigt deutlich, dass „der Betriebspunkt in diesem System nicht optimal ist, so dass dies wahrscheinlich die Photoladung des VRFB einschränken könnte“, sagten die Forscher.

Das Mini-Modul mit vier in Reihe geschalteten Zellen erzielte eine vollständige unvoreingenommene Photoladung unter 1-Sonnenbeleuchtung, was zu einer hohen Energie von 77%, einem Solar- zu-Batterie-Ladewirkungsgrad von 7.5% und einem Gesamtenergieumwandlungswirkungsgrad von 5.0% führte. Diese Werte übertrafen nach Angaben der Wissenschaftler alle in der Literatur für solare VRFBs angegebenen Werte.

Das Drei-Zellen-Modul, das unter zwei verschiedenen Batteriekonfigurationen getestet wurde, zeigte eine vollständige Abhängigkeit vom Leerlaufpotential der Batterie und eine geringere Leistung aufgrund einer niedrigeren Zellspannung.

„Wir haben das enorme Potenzial dieser Art von Energiespeichersystem demonstriert, indem wir zum ersten Mal kommerzielle Dünnschicht-Photovoltaik maßgeschneidert haben, was Aufschluss über den Weg für die zukünftige Entwicklung solcher Solarbatterien geben könnte, die auf einfacheren Konfigurationen basieren und bereits vorhandene Technologien verwenden“, folgerten die Wissenschaftler.

Sie präsentierten ihren Batterieprototyp in „Adaptation of Cu(In, Ga)Se2photovoltaics for full unbiased photocharge of integrated solar vanadium redox flow batteries“, der kürzlich in Sustainable Energy & Fuels veröffentlicht wurde.

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