«По сути, мы объединили лучшее из обоих миров», — объясняет профессор доктор Роэль ван де Крол, глава Института солнечного топлива HZB. «Мы начинаем с химически стабильного недорогого оксида металла, добавляем действительно хороший, но простой тонкопленочный солнечный элемент на основе кремния, и — вуаля — мы только что создали экономичное, очень стабильное и высокоэффективное устройство на солнечном топливе ».Таким образом, специалисты смогли разработать довольно элегантную и простую систему использования солнечного света для разделения воды на водород и кислород. Этот процесс, называемый искусственным фотосинтезом, позволяет накапливать солнечную энергию в виде водорода.
Затем водород можно использовать в качестве топлива либо непосредственно, либо в форме метана, либо он может генерировать электричество в топливном элементе. Одна приблизительная оценка показывает потенциал, заложенный в этой технологии: при мощности солнечной энергии в Германии примерно 600 Вт на квадратный метр 100 квадратных метров системы этого типа теоретически способны хранить 3 киловатт-часа энергии в виде водорода всего за один метр. один-единственный час солнечного света. Эта энергия может быть доступна ночью или в пасмурные дни.
Оксид металла в качестве фотоанода предотвращает коррозию солнечного элементаВан де Крол и его команда начали с относительно простой тонкопленочной ячейки на основе кремния, в которую был добавлен слой оксида металла. Этот слой — единственная часть ячейки, которая контактирует с водой и действует как фотоанод для образования кислорода. В то же время это помогает предотвратить коррозию чувствительного кремниевого элемента.
Исследователи систематически изучали и оптимизировали такие процессы, как поглощение света, разделение зарядов и расщепление молекул воды. По словам ван де Крола, теоретически при использовании фотоанода, сделанного из ванадата висмута, возможно повышение эффективности преобразования солнечной энергии в химическую до девяти процентов. Уже сейчас удалось решить одну задачу: используя недорогой кобальтфосфатный катализатор, им удалось существенно ускорить процесс образования кислорода на фотоаноде.Новый рекорд: более 80 процентов падающих фотонов вносят вклад в ток!
Однако самой большой проблемой было эффективное разделение электрических зарядов в пленке ванадата висмута. Оксиды металлов могут быть стабильными и дешевыми, но носители заряда имеют тенденцию быстро рекомбинировать. Это означает, что они больше не пригодны для реакции расщепления воды. Теперь Ван де Крол и его команда выяснили, что это помогает добавлять атомы вольфрама в пленку ванадата висмута. «Важно то, что мы распределяем эти вольфрамовые атомы очень специфическим образом, чтобы они могли создавать внутреннее электрическое поле, которое помогает предотвратить рекомбинацию», — объясняет ван де Крол.
Чтобы это сработало, ученые взяли раствор висмута-ванадия вольфрама и распылили его на нагретую стеклянную подложку. Это привело к испарению раствора. Путем многократного распыления на стекло вольфрама различной концентрации была создана высокоэффективная фотоактивная пленка оксида металла толщиной около 300 нанометров. «Мы еще не совсем понимаем, почему ванадат висмута работает намного лучше, чем другие оксиды металлов.
Мы обнаружили, что более 80 процентов падающих фотонов вносят вклад в ток, что является неожиданно высоким значением, которое устанавливает новый рекорд для оксидов металлов». — говорит ван де Крол. Следующая задача — масштабирование таких систем до нескольких квадратных метров, чтобы они могли производить необходимое количество водорода.
