В поисках эффективных, возобновляемых альтернатив ископаемому топливу, ученые стремились собирать солнечную энергию с помощью «расщепления воды», метода искусственного фотосинтеза, использующего солнечный свет для выработки водородного топлива из воды. Но водоразделительные устройства не оправдали свой потенциал, потому что до сих пор не найден минерал для материалов с правильным сочетанием оптических, электронных и химических свойств, необходимых для их эффективной работы.
Теперь исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) и Объединенного центра по искусственному фотосинтезу (JCAP), центра инноваций энергетики DOE, придумали новый рецепт для возобновляемых видов топлива, который мог бы обойти эти ограничения на сегодняшний день. материалы: устройство для искусственного фотосинтеза, называемое «гибридной фотоэлектрохимической и гальванической (HPEV) ячейкой», которая превращает солнечный свет и воду в не только один, но два вида энергии — водородное топливо и электричество. Статья, описывающая эту работу, была опубликована 29 октября в Nature Materials .
Найти выход для электронов
Большинство водоразделительных устройств изготавливаются из группы светопоглощающих материалов. В зависимости от своего состава каждый слой поглощает различные части или «длины волн» солнечного спектра, в диапазоне от менее энергичных длин волн инфракрасного света до более энергичных длин волн видимого или ультрафиолетового света.
Когда каждый слой поглощает свет, он создает электрическое напряжение. Эти отдельные напряжения объединяются в одно напряжение, большей мощности, чтобы разделить воду на кислород и водородное, чтобы получить топливо. Но, по словам Гидеона Сегева, постдокторского исследователя в JCAP в Отделении 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 скомпрометированы, когда они являются частью устройства для разделения воды.
Ток, проходящий через разделитель, ограничен другими материалами в батарее, которые не работают так же хорошо, как кремний, и в результате система вырабатывает гораздо меньше тока, чем могла бы — и чем меньше он генерирует тока, тем меньше солнечной энергии способно произвести топлива.
«Это как постоянно управлять машиной на первой передаче при возможных шести», — сказал Сегев. «Это энергия, которую вы могли бы собрать, но поскольку кремний не работает в точке максимальной мощности, большинству возбужденных электронов в кремнии некуда деваться, поэтому они теряют свою энергию до того, как их используют для выполнения полезной работы».
Выход из первой передачи
Итак, Сегев и его соавторы — Джеффри В. Биман, исследователь JCAP в Отделении химических наук лаборатории Беркли, а также бывшие исследователи Berkeley Lab и JCAP Джеффри Гринблатт, который сейчас возглавляет технологическое консультативное бюро в районе Бэй-Район Emerging Futures LLC, и Ян Шарп, ныне профессор экспериментальной физики полупроводников в Техническом университете Мюнхена в Германии, предложил удивительно простое решение сложной проблемы.
«Мы подумали:« 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 обычной системы, они добавили дополнительный электрический контакт к задней поверхности кремниевого компонента, в результате чего устройство HPEV имеет два контакта сзади, а не один. Дополнительная задняя контактная группа позволила бы разделить ток на две части, так что одна часть тока вносит свой вклад в выработку солнечного топлива, а остальная часть может быть извлечена в качестве электрической энергии.
Когда то, что вы видите, это то, что вы получаете
После запуска симуляции, чтобы предсказать, будет ли HPEC функционировать так, как задумано, они создали прототип для проверки своей теории. «И к нашему удивлению, это сработало!» Сегев сказал. «В науке вы никогда не можете быть уверены, что все будет работать, даже если ваши компьютерные симуляции говорят, что они будут работать. Но это также и делает идеи забавными и интересными. Было здорово видеть, как наши эксперименты подтверждают предсказания наших симуляций».
Согласно их расчетам, обычный солнечный генератор водорода, основанный на комбинации кремния и ванадата висмута, материала, который широко изучается для расщепления солнечной воды, будет генерировать водород при КПД солнечного модуля уже при 6,8 процента. Другими словами, из всей падающей солнечной энергии, падающей на поверхность элемента, 6,8 процента будут храниться в виде водородного топлива, а все остальное будет потеряно.
В то время как по новой технологии, клетки HPEV собирают оставшиеся электроны, которые не способствуют выработке топлива. Эти остаточные электроны вместо этого используются для выработки электроэнергии, что приводит к резкому увеличению общей эффективности преобразования солнечной энергии, сказал Сегев. Например, согласно тем же расчетам, те же 6,8 процента солнечной энергии могут храниться в виде водородного топлива в ячейке HPEV, изготовленной из ванадата висмута и кремния, и еще 13,4 процента солнечной энергии могут быть преобразованы в электричество. Это обеспечивает суммарную эффективность 20,2%, что в три раза лучше, чем у обычных солнечных водородных элементов.
Исследователи планируют продолжить сотрудничество, чтобы они могли изучить использование концепции HPEV для других применений, таких как сокращение выбросов углекислого газа. «Это была действительно долгая и совместная работа, в которую могли внести вклад люди с большим опытом», — добавил Сегев. «После полутора лет совместной работы над довольно утомительным процессом было здорово увидеть, что наши эксперименты наконец-то воплотились в готовое решение из идеи».
Перевод Н. Дмитрий
DOE / Национальная лаборатория им. Лоуренса Беркли. «Солнечный элемент, который выполняет двойную функцию за возобновляемую энергию». ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2018/10/181029131017.htm (по состоянию на 15 января 2019 года).