В поисках обильных, возобновляемых альтернатив ископаемому топливу ученые стремились собирать солнечную энергию с помощью «расщепления воды», метода искусственного фотосинтеза, который использует солнечный свет для получения водородного топлива из воды. Но устройства для разделения воды еще не полностью реализовали свой потенциал, потому что до сих пор не разработан дизайн материалов с правильным сочетанием оптических, электронных и химических свойств, необходимых для их эффективной работы.
Теперь исследователи из U. S. Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) и Объединенный центр искусственного фотосинтеза (JCAP), Центр инноваций в области энергетики Министерства энергетики, разработали новый рецепт возобновляемых видов топлива, который может обойти ограничения в существующих материалах: устройство искусственного фотосинтеза, называемое «гибридным фотоэлектрохимическим и гальваническим (HPEV) элементом», которое превращает солнечный свет и воду не в один, а в два типа энергии - водородное топливо и электричество. Статья с описанием этой работы была опубликована 29 октября в Nature Materials.
В поисках выхода для электронов
Большинство устройств для разделения воды изготовлены из стопки светопоглощающих материалов. В зависимости от своего состава каждый слой поглощает разные части или «длины волн» солнечного спектра, начиная от менее энергичных длин волн инфракрасного света и заканчивая более энергичными длинами волн видимого или ультрафиолетового света..
Когда каждый слой поглощает свет, он создает электрическое напряжение. Эти отдельные напряжения объединяются в одно напряжение, достаточно большое, чтобы разделить воду на кислород и водородное топливо. Но, по словам Гидеона Сегева, исследователя с докторской степенью в JCAP в отделе химических наук лаборатории Беркли и ведущего автора исследования, проблема с этой конфигурацией заключается в том, что, хотя кремниевые солнечные элементы могут генерировать электричество очень близко к своему пределу, их высокопроизводительный потенциал ограничен. скомпрометированы, когда они являются частью водоразделительного устройства.
Ток, проходящий через устройство, ограничен другими материалами в стеке, которые не так эффективны, как кремний, и в результате система вырабатывает гораздо меньший ток, чем могла бы, и тем меньший ток она генерирует, тем меньше солнечного топлива он может производить.
«Это все равно, что всегда ехать на первой передаче», - сказал Сегев. «Это энергия, которую вы могли бы собрать, но поскольку кремний не действует в точке максимальной мощности, большинству возбужденных электронов в кремнии некуда деваться, поэтому они теряют свою энергию, прежде чем будут использованы для выполнения полезной работы."
Выключение первой передачи
Итак, Сегев и его соавторы - Джеффри В. Биман, исследователь JCAP в отделе химических наук лаборатории Беркли, и бывший исследователь лаборатории Беркли и JCAP Джеффри Гринблатт, который сейчас возглавляет технологическую консалтинговую компанию Emerging Futures в Сан-Франциско. LLC и Ян Шарп, ныне профессор экспериментальной физики полупроводников Мюнхенского технического университета в Германии, предложили удивительно простое решение сложной проблемы.
"Мы подумали: "А что, если мы просто выпустим электроны?"" - сказал Сегев.
В устройствах для разделения воды передняя поверхность обычно предназначена для производства солнечного топлива, а задняя поверхность служит электрической розеткой. Чтобы обойти ограничения традиционной системы, они добавили дополнительный электрический контакт на заднюю поверхность кремниевого компонента, в результате чего устройство HPEV имело два контакта сзади вместо одного. Дополнительный задний выход позволит разделить ток на две части, чтобы одна часть тока вносила вклад в выработку солнечного топлива, а остальную часть можно было извлекать в виде электроэнергии.
Когда видишь то, что получаешь
После запуска моделирования, чтобы предсказать, будет ли HPEC работать так, как задумано, они сделали прототип для проверки своей теории. «И, к нашему удивлению, это сработало!» - сказал Сегев. «В науке никогда нельзя быть уверенным, что все сработает, даже если ваши компьютерные симуляции говорят, что они сработают. Но это также делает процесс интересным. Было здорово видеть, как наши эксперименты подтверждают предсказания наших симуляций».
Согласно их расчетам, обычный солнечный генератор водорода на основе комбинации кремния и ванадата висмута, материала, который широко изучается для расщепления солнечной воды, будет генерировать водород с эффективностью солнечной энергии по отношению к водороду 6,8 процента. Другими словами, из всей падающей на поверхность клетки солнечной энергии 6,8 % запасается в виде водородного топлива, а все остальное теряется.
Напротив, клетки HPEV собирают оставшиеся электроны, которые не способствуют выработке топлива. По словам Сегева, эти остаточные электроны вместо этого используются для выработки электроэнергии, что приводит к резкому увеличению общей эффективности преобразования солнечной энергии. Например, согласно тем же расчетам, те же 6,8 процента солнечной энергии могут быть сохранены в виде водородного топлива в ячейке HPEV из ванадата висмута и кремния, а еще 13,4 процента солнечной энергии могут быть преобразованы в электричество. Это обеспечивает комбинированный КПД 20,2%, что в три раза выше, чем у обычных солнечных водородных элементов.
Исследователи планируют продолжить сотрудничество, чтобы изучить возможность использования концепции HPEV для других приложений, таких как сокращение выбросов углекислого газа. «Это была действительно групповая работа, в которой смогли внести свой вклад люди с большим опытом», - добавил Сегев. «После полутора лет совместной работы над довольно утомительным процессом было здорово увидеть, как наши эксперименты наконец сошлись воедино».