Солнечная энергия широко доступна во всем мире, но, к сожалению, не постоянно и не везде. Особенно интересным решением для хранения этой энергии является искусственный фотосинтез. Это то, на что способен каждый лист, а именно на преобразование солнечного света в химическую энергию.
То же самое может происходить и с искусственными системами на основе полупроводников. Они используют электрическую энергию, которую солнечный свет создает в отдельных полупроводниковых компонентах, для разделения воды на кислород и водород. Водород обладает очень высокой плотностью энергии, может использоваться многими способами и заменять ископаемое топливо.Кроме того, при сгорании из водорода не выделяется вредный для климата углекислый газ, а только вода.
Однако до сих пор производство солнечного водорода на промышленном уровне не удавалось из-за высокой стоимости. Это связано с тем, что эффективность искусственного фотосинтеза, то есть содержание энергии водорода по сравнению с солнечным светом, просто слишком низка для экономичного производства водорода из солнца.Рекордное значение теперь превышено
Поэтому научные учреждения по всему миру в течение многих лет изучали, как побить существующий рекорд искусственного фотосинтеза в 12,4%, который в течение 17 лет удерживался NREL в США.Основной компонент: тандемный солнечный элементТеперь команда из Технического университета Ильменау, Центра им.
Гельмгольца в Берлине (HZB), Калифорнийского технологического института, а также Института исследований Фраунгофера значительно превысила этот рекорд. Ведущий автор Маттиас Мэй, работающий в Техническом университете Ильменау и в Институте солнечного топлива HZB, обработал и исследовал около сотни образцов в своей превосходной докторской диссертации для достижения этой цели. Основными компонентами являются тандемные солнечные элементы из так называемых полупроводников III-V. Используя запатентованный сейчас фотоэлектрохимический процесс, Мэй смогла модифицировать определенные поверхности этих полупроводниковых систем таким образом, чтобы они лучше справлялись с расщеплением воды.
Стабильность улучшена«Мы электронным и химическим способом пассивировали in situ, в частности, слои фосфида алюминия-индия и, таким образом, эффективно связались со слоем катализатора для генерации водорода. Таким образом, мы смогли контролировать состав поверхности в субнанометровых масштабах, "объясняет Мэй. Значительно улучшилась и долгосрочная стабильность.
Вначале образцы прожили всего несколько секунд, прежде чем их выходная мощность упала. Примерно через год оптимизации они остаются стабильными более 40 часов.
Дальнейшие шаги по достижению цели долгосрочной стабильности в 1000 часов уже предпринимаются.Следующие цели видны«Прогнозы показывают, что производство водорода из солнечного света с использованием высокоэффективных полупроводников может быть экономически конкурентоспособным по сравнению с ископаемыми источниками энергии при уровне эффективности 15% или более. Это соответствует цене на водород около четырех долларов США за килограмм», — говорит проф.
Томас Ханнаппель из группы фотовольтаики в Техническом университете Ильменау, который был научным руководителем этой работы. Профессор Ханс-Йоахим Леверенц из Объединенного центра искусственного фотосинтеза в Калифорнийском технологическом институте, который работал в тесном сотрудничестве с Мэй, сказал: «Мы почти готовы. Если мы сейчас добьемся успеха в снижении потерь носителей заряда на интерфейсах, еще больше. , мы могли бы химически хранить более 17% падающей солнечной энергии в виде водорода, используя эту полупроводниковую систему ».