Ученые из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (NREL) разработали экспериментальный фотоэлектрохимический элемент, способный улавливать избыточную энергию фотонов, обычно теряемую для выработки тепла.
Используя квантовые точки (КТ) и процесс, называемый генерацией множественных экситонов (МЭГ), исследователи NREL смогли увеличить пиковую внешнюю квантовую эффективность для генерации водорода до 114 процентов. Прогресс может значительно увеличить производство водорода из солнечного света за счет использования ячейки для расщепления воды с более высокой эффективностью и меньшими затратами, чем современные фотоэлектрохимические подходы.
Подробности исследования изложены в статье Nature Energy «Множественная генерация экситонов для фотоэлектрохимических реакций выделения водорода с квантовыми выходами, превышающими 100%», в соавторстве с Мэтью Бирдом, Йонг Яном, Райаном Криспом, Цзин Гу, Борисом Черномордиком, Грегори Пах, Эшли Маршалл и Джон Тернер. Все из NREL; Крисп также связан с Школой горного дела Колорадо, а Пах и Маршалл связаны с Колорадским университетом в Боулдере.
Бирд и другие ученые NREL в 2011 году опубликовали статью в журнале Science, в которой впервые показано, как МЭГ позволила солнечному элементу превысить 100-процентную квантовую эффективность, производя больше электронов в электрическом токе, чем количество фотонов, поступающих в электроэнергию. солнечная батарея.
«Основное отличие здесь заключается в том, что мы зафиксировали усиление МЭГ в химической связи, а не только в электрическом токе», - сказал Бирд. «Мы продемонстрировали, что тот же процесс, который производит дополнительный ток в солнечном элементе, может также применяться для производства дополнительных химических реакций или накопления энергии в химических связях."
Максимальная теоретическая эффективность солнечного элемента ограничена тем, сколько энергии фотонов может быть преобразовано в полезную электрическую энергию, при этом энергия фотонов, превышающая полосу поглощения полупроводника, теряется на тепло. Процесс MEG использует преимущества дополнительной энергии фотонов для генерации большего количества электронов и, следовательно, дополнительного химического или электрического потенциала, а не для генерации тепла. КТ, представляющие собой полупроводниковые нанокристаллы сферической формы (диаметром 2-10 нм), усиливают процесс МЭГ.
В текущем отчете несколько электронов или носителей заряда, которые генерируются в процессе МЭГ в КТ, захватываются и сохраняются в химических связях молекулы H2.
Исследователи NREL разработали ячейку на основе фотоанода QD из сульфида свинца (PbS). Фотоанод представляет собой слой квантовых точек PbS, нанесенных поверх диэлектрической стопки из диоксида титана/оксида олова, легированного фтором. Химическая реакция, вызванная дополнительными электронами, продемонстрировала новое направление в изучении высокоэффективных подходов к солнечному топливу.