Ученые из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США (DOE) установили рекорд максимальной эффективности производства солнечного водорода с помощью фотоэлектрохимического (PEC) процесса разделения воды.
Новый рекорд эффективности преобразования солнечной энергии в водород (STH) составляет 16,2 процента, что превышает показатель эффективности в 14 процентов, зарегистрированный в 2015 году международной командой, состоящей из исследователей из Helmholtz-Zentrum Berlin, TU Ilmenau, Fraunhofer ISE и Калифорнийского университета. Технологический Институт. В статье в Nature Energy под названием «Прямое преобразование солнечной энергии в водород с помощью инвертированных метаморфических многопереходных полупроводниковых архитектур» описывается, как был достигнут новый рекорд NREL. Авторами являются Джеймс Янг, Майлс Штайнер, Райан Франс, Джон Тернер и Тодд Дойч, все из NREL, и Хеннинг Дёшер из Philipps-Universität Marburg в Германии. Дёшер связан с NREL.
Рекордная ячейка PEC представляет собой существенное отличие от концептуального устройства, разработанного Тернером в NREL в 1990-х годах.
И в старом, и в новом процессах PEC используются стопки светопоглощающих тандемных полупроводников, которые погружены в раствор кислоты/воды (электролит), где происходит реакция расщепления воды с образованием газообразных водорода и кислорода. Но в отличие от оригинального устройства, изготовленного из фосфида галлия-индия (GaInP2), выращенного поверх арсенида галлия (GaAs), новая ячейка PEC выращивается вверх ногами, сверху вниз, что приводит к так называемому инвертированному метаморфическому мультипереходу (IMM). устройство.
Это усовершенствование IMM позволило исследователям NREL заменить обычные слои GaAs арсенидом индия-галлия (InGaAs), что значительно повысило эффективность устройства. Второй ключевой отличительной чертой нового усовершенствования было нанесение очень тонкого «оконного слоя» фосфида алюминия-индия (AlInP) поверх устройства, за которым следовал второй тонкий слой GaInP2. Эти дополнительные слои служили как для устранения дефектов на поверхности, которые в противном случае снижали эффективность, так и для частичной защиты критических нижележащих слоев от агрессивного раствора электролита, который разрушает полупроводниковый материал и ограничивает срок службы элемента PEC.
Первоначальный прорыв Тернера создал интересный новый способ эффективного разделения воды с использованием солнечного света в качестве единственного источника энергии для производства возобновляемого водорода. Другие методы, использующие солнечный свет, влекут за собой дополнительные этапы, приводящие к потерям. Например: электроэнергия, вырабатываемая коммерческими солнечными батареями, может быть отправлена через системы преобразования энергии в электролизер для разложения воды на водород и кислород с приблизительной эффективностью STH 12 процентов. Прямой метод Тернера установил непревзойденный рекорд эффективности STH - 12.4 процента, что было превзойдено новой ячейкой PEC NREL.
Прежде чем технология PEC станет коммерчески жизнеспособной, стоимость производства водорода должна снизиться до уровня менее 2 долларов за килограмм водорода, установленного Министерством энергетики США. Для достижения этой цели необходимо постоянное повышение эффективности и срока службы ячеек. Дальнейшее повышение эффективности увеличит скорость производства водорода на единицу площади, что снизит стоимость водорода за счет снижения расходов на баланс системы. В сочетании с повышением эффективности срок службы текущей конфигурации элементов должен быть значительно увеличен после нескольких часов эксплуатации, чтобы значительно снизить затраты. Исследователи NREL активно изучают методы увеличения срока службы устройства PEC в дополнение к дальнейшему повышению эффективности.
В то время как альтернативная конфигурация, в которой устройство не погружается в кислый электролит, а вместо этого подключается к внешнему электролизеру, решит проблему долговечности, технико-экономический анализ, проведенный по заказу Министерства энергетики США, показал, что погружные устройства могут производить водород по более низкой цене.