雖然太陽能電池板在日落後失去發電能力，但再生能源的一個主要挑戰仍然存在：如何儲存太陽能以供以後在陰天或夜間使用。
加州大學聖塔芭芭拉分校的研究人員相信，他們可能已經找到了一個答案，可以消除對大型電池系統的需求或對電網的依賴。副教授 Grace Han 和她的研究團隊在《科學》雜誌上撰文，描述了一種新材料，它可以吸收陽光，將這種能量儲存在化學鍵中，然後在需要時以熱量的形式釋放出來。該材料基於一種稱為嘧啶酮的改性有機分子，代表了分子太陽能熱（MOST）儲能技術的新進步。
「這個概念是可重複使用和可回收的，」Han Group 的博士生、該研究的主要作者 Han Nguyen 說。
「想想光致變色太陽眼鏡。當你進來時，它們只是透明鏡片。當你出去到陽光下時，你出去到陽光下，它們會自行變暗。當你回到室內時，鏡片會再次變得透明，」Nguyen 繼續說道。 「這種可逆的變化是我們感興趣的。我們不只是改變顏色，而是希望使用相同的想法來儲存能量，在需要時釋放它，然後一遍又一遍地使用這種材料。”
受 DNA 啟發的太陽能存儲
在設計這種分子時，科學家們從一個意想不到的來源中獲得了靈感：DNA。嘧啶酮的結構類似於 DNA 中天然存在的成分，其形狀在暴露於紫外線時可以逆轉。
利用這種結構的合成版本，團隊設計了一種可以重複儲存和釋放能量的分子。為了更好地理解為什麼分子在長時間保持能量的同時保持穩定，研究人員與加州大學洛杉磯分校傑出研究教授肯·霍克（Ken Houk）合作。計算模型有助於解釋該材料如何能夠將儲存的能量保存多年而不會造成重大損失。
“我們優先考慮輕質且緊湊的分子設計，”Nguyen 說。 “對於這個項目，我們刪除了所有不需要的東西。我們刪除了所有不必要的東西，以使分子盡可能緊湊。”
可重複使用的“太陽能電池”
與將陽光直接轉化為電能的標準太陽能電池板不同，該系統以化學方式儲存能量。該分子的行為有點像壓縮彈簧。吸收陽光後，它轉變為一種緊張的高能量形式，並保持這種狀態直到被激活。
當暴露於觸發因素（例如少量熱量或催化劑）時，分子會恢復到其原始形式並以熱量的形式釋放儲存的能量。
「我們經常將其描述為可充電太陽能電池，」阮說。 “它可以儲存陽光並且可以充電。”
該分子還提供令人印象深刻的能量密度。據研究人員稱，它每公斤可儲存超過 1.6 兆焦耳的能量。相較之下，傳統鋰離子電池的儲存能量約為 0.9 MJ/kg。這種新材料的性能也優於前幾代光儲能開關。
新材料可以利用儲存的陽光燒水
該團隊的一個重要里程碑是將分子的高能量儲存能力轉化為實際演示。在實驗中，研究人員表明，該材料可以在環境條件下釋放足夠的熱量來煮沸水；這在該研究領域是一件很難實現的事情。
「煮水是一個能源密集型過程，」阮說。 “我們可以在環境條件下燒開水，這是一項偉大的成就。”
該技術最終可以支援各種實際用途，包括用於露營或家庭熱水應用的離網加熱系統。由於這種材料是水溶性的，研究人員表示，有一天它可以在白天在屋頂太陽能集熱器中循環，然後儲存在夜間釋放熱量的儲存槽中。
「使用太陽能電池板，你需要一個額外的電池系統來儲存能量，」漢實驗室的博士生、合著者本傑明·貝克說。 “透過分子太陽能熱能存儲，材料本身可以儲存來自陽光的能量。”
該計畫獲得了 2025 年授予 Han 的摩爾發明家獎學金的支持，以推進這些「可充電太陽能電池」的開發。
