Новый мировой рекорд эффективности производства водорода
Водород сыграет центральную роль как средство хранения в устойчивых энергетических системах. Международной команде исследователей удалось поднять эффективность производства водорода от прямого солнечного расщепления до рекордных 19 процентов.
Это было сделано путем объединения тандемного солнечного элемента III-V полупроводников с катализатором наночастиц родия и кристаллическим диоксидным покрытием титана.
Фотогальваника является основой систем снабжения возобновляемой энергией, а солнечный свет в изобилии доступен во всем мире, но не круглосуточно. Одним из решений для борьбы с этой флуктуирующей генерации энергии является хранение солнечного света в виде химической энергии, в частности, с помощью солнечного света для производства водорода.
Это связано с тем, что водород можно легко и безопасно хранить и использовать во многих отношениях — будь то в топливных элементах для непосредственного производства электроэнергии и тепла или в качестве сырья для производства горючего топлива.
Если объединить солнечные элементы с катализаторами и дополнительными функциональными слоями для образования «монолитного фотоэлектрода» в виде единого блока, то расщепление воды становится особенно простым: фотокатод погружается в водную среду и при попадании на него света на лицевой стороне образуется водород, а на обратной кислород.
Для монолитного фотокатода, исследовательские группы объединили дополнительные функциональные слои с высокоэффективной тандемной ячейкой из полупроводников III-V, разработанных в ИСЭ Фраунгофера. Это позволило им снизить поверхностную отражательную способность ячейки, тем самым избежав значительных потерь, вызванных паразитным поглощением и отражением света.
«Именно в этом и заключается инновация, — объясняет профессор Ханс-Йоахим Леверенц, — потому что в 2015 году мы уже достигли эффективности более 14 процентов для более ранней ячейки, что в то время было мировым рекордом. Здесь мы заменили антикоррозийный верхний слой кристаллическим слоем диоксида титана, который не только обладает отличными антибликовыми свойствами, но и к которому прилипают частицы катализатора.
Профессор Гарри Этвотер, добавляет: «Кроме того, мы также использовали новый электрохимический процесс для получения наночастиц родия, которые служат катализатором реакции расщепления воды. Эти частицы всего 10 нанометров в диаметре и поэтому оптически почти прозрачны, что делает их идеальными для работы».
При моделируемой солнечной радиации ученые достигли эффективности в 19,3% в разбавленной водной хлорной кислоте, но до сих пор достигают 18,5% в электролите с нейтральным рН. Эти цифры приближаются к теоретическому максимальному КПД в 23%, который может быть достигнут с присущими ему электронными свойствами для этой комбинации слоев.
«Кристаллический слой диоксида титана не только защищает фактический солнечный элемент от коррозии, но и улучшает перенос заряда благодаря его выгодным электронным свойствам», — говорят ученые. «Мы смогли увеличить срок службы до почти 100 часов. Это большой шаг вперед по сравнению с предыдущими системами, которые уже корродировали через 40 часов. Тем не менее, еще многое предстоит сделать».
Больше информации: Wen-Hui Cheng et al, Monolithic Photoelectrochemical Device for Direct Water Splitting with 19% Efficiency, ACS Energy Letters (2018). DOI: 10.1021/acsenergylett.8b00920