インド科学研究所（IISc）計測応用物理学科（IAP）の研究者と共同研究者らは、光が当たることで充電できる新しいスーパーキャパシタを設計した。このようなスーパーキャパシタは、街路灯やセンサーなどの自己電源型電子デバイスを含むさまざまなデバイスで使用できます。

コンデンサは、電極と呼ばれる 2 つの金属板にエネルギーを電荷として蓄積する静電デバイスです。スーパーキャパシタはキャパシタのアップグレード版であり、電気化学現象を利用してより多くのエネルギーを蓄えるものである、とIAP教授でありこの研究の責任著者であるアブハ・ミスラ氏は説明する出版されたで材料化学ジャーナル A。

新しい電極スーパーキャパシタでできていました酸化亜鉛透明なフッ素ドープ酸化スズ (FTO) 上に直接成長した (ZnO) ナノロッド。これは、IISc のミスラのグループの筆頭著者であり CV ラマン博士研究員である Pankaj Singh Chauhan によって合成されました。

ZnO と FTO はどちらも適切に配列された半導体です。エネルギーレベル、光再充電可能なスーパーキャパシタの優れた性能を可能にします。FTO は透明なので、光が光学活性 ZnO ナノロッドに当たることを可能にし、スーパーキャパシタを充電します。Chauhan 氏は、液体と半固体ゲルの 2 つの電解質が電極間の導電媒体として使用されたと説明しています。

電荷を蓄える容量（静電容量）は電極間の距離に反比例します。

「距離が非常に小さくなると、静電容量が急激に増加します」とミスラ氏は説明します。静電コンデンサでは、電極間の距離を小さく維持することが困難です。ただし、スーパーキャパシタでは、電極の電荷が電解質の逆に帯電したイオンを引き付け、その結果、電気二重層または EDL と呼ばれる、互いに原子の距離だけ離れた電荷層が形成されます。これにより、スーパーキャパシタの静電容量が大きくなります。

研究者らがスーパーキャパシタに紫外線（UV）光を照射したところ、静電容量が大幅に増加し、これまでに報告されていたスーパーキャパシタよりも数倍高いことに気づきました。彼らはまた、2 つの珍しい特性にも気づきました。まず、一般に電圧が増加すると静電容量は減少しますが、光照射下でのスーパーキャパシタの静電容量は実際には電圧の増加とともに増加するという逆のことがわかりました。

「私たちはこれをネッキング行動と呼んでいます」とA.M.は言う。ラオ氏、米国クレムソン大学教授、共著者。彼は、これは電極の多孔性が高いためである可能性があると説明しています。第 2 に、電解液中のイオンが充電速度の増加に対応できるほど速く移動しないため、スーパーキャパシタ内に蓄えられるエネルギーは通常、充電速度が速くなると減少します。しかし、液体電解質を使用すると、紫外光下で急速充電すると、スーパーキャパシタに蓄えられるエネルギーが驚くほど増加することが研究チームによって発見されました。

ラオ氏のグループの博士研究員ミヒル・パレク氏は、これらの新しい観察を説明する理論モデルを開発した。この発見は、高速充電とエネルギー密度の高いスーパーキャパシタの同時開発への扉を開くものである、と同氏は示唆する。

現在のスーパーキャパシタを設計するために、チームは 2 つの重要なアイデアを検討しました。まず、光との相互作用を最大化する方法で 2 つの光学活性半導体界面を組み合わせることで電極の表面積が増加し、より多くの電荷生成が可能になりました。次に、効果的な EDL を確保するために液体電解質が使用されました。これらを組み合わせることで、優れたパフォーマンスが実現しました。

「アイデアはシンプルでしたが、組み合わせると非常にうまく機能しました」とミスラは説明します。スーパーキャパシタの設計を微調整することで、可視光や赤外線でも充電できるようになると彼女は付け加えた。IISc-クレムソンチームは、より優れたスーパーキャパシタを設計するために観察された新しい現象をさらに調査し、より深く理解することを目指しています。

「スーパーキャパシタには多くの用途があります」とミスラ氏は説明します。たとえば、街路灯に使用されている太陽電池を置き換えることができる可能性があります。電力密度が高いため、バッテリーよりも早く充電を解放できます。チップに電力を供給するためにも使用できます。電子機器携帯電話のように。

「私たちはスーパーキャパシタをミクロンスケールまで小型化し、これらのマイクロエレクトロニクスチップと一緒に統合できるようにしました」とミスラ氏は付け加えた。