Ny verdensrekord for direkte solvandsspaltningseffektivitet

Brint vil spille en central rolle som lagringsmedium i bæredygtige energisystemer. Et internationalt hold af forskere er nu lykkedes med at hæve effektiviteten af ​​at producere brint fra direkte solvandsspaltning til rekordhøje 19 procent. Det gjorde de ved at kombinere en tandemsolcelle af III-V-halvledere med en katalysator af rhodiumnanopartikler og en krystallinsk titaniumdioxidbelægning. Hold fra California Institute of Technology, University of Cambridge, Technische Universitet Ilmenau, og Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE deltog i udviklingsarbejdet. En del af eksperimenterne fandt sted på Institut for Solar Fuels i Helmholtz-Zentrum Berlin.

Solceller er en grundpille i forsyningssystemer med vedvarende energi, og sollys er rigeligt tilgængeligt verden over – men ikke døgnet rundt. En løsning til at håndtere denne fluktuerende elproduktion er at lagre sollys i form af kemisk energi, specifikt ved at bruge sollys til at producere brint. Dette skyldes, at brint kan opbevares nemt og sikkert, og bruges på mange måder – uanset om det er i en brændselscelle til direkte at generere elektricitet og varme, eller som råmateriale til fremstilling af brændbare brændstoffer. Hvis du kombinerer solceller med katalysatorer og yderligere funktionelle lag for at danne en "monolitisk fotoelektrode" som en enkelt blok, så bliver det særligt nemt at spalte vand:fotokatoden nedsænkes i et vandigt medium, og når lys falder på den, brint dannes på forsiden og ilt på bagsiden.

Transparent anti-korrosionslag

For den monolitiske fotokatode, der er undersøgt her, forskerholdene kombinerede yderligere funktionelle lag med en højeffektiv tandemcelle lavet af III-V halvledere udviklet på Fraunhofer ISE. Dette gjorde det muligt for dem at reducere cellens overfladereflektivitet, derved undgås betydelige tab forårsaget af parasitisk lysabsorption og refleksion. "Det er også her innovationen ligger", forklarer prof. Hans-Joachim Lewerenz, Caltech, USA:"Fordi vi allerede havde opnået en effektivitet på over 14 procent for en tidligere celle i 2015, hvilket var verdensrekord på det tidspunkt. Her har vi erstattet det anti-korrosions-toplag med et krystallinsk titaniumdioxid-lag, der ikke kun har fremragende anti-refleksegenskaber, men som katalysatorpartiklerne også klæber til." Og prof. Harry Atwater, Caltech, tilføjer:"Desuden vi har også brugt en ny elektrokemisk proces til at fremstille de rhodium-nanopartikler, der tjener til at katalysere vandspaltningsreaktionen. Disse partikler er kun ti nanometer i diameter og er derfor optisk næsten gennemsigtige, gør dem velegnede til jobbet."

Under simuleret solstråling, forskerne opnåede en effektivitet på 19,3 procent i fortyndet vandig perchlorsyre, mens den stadig når 18,5 procent i en elektrolyt med neutral pH. Disse tal nærmer sig den teoretiske maksimale effektivitet på 23 procent, der kan opnås med de iboende elektroniske egenskaber for denne kombination af lag.

"Det krystallinske titaniumdioxidlag beskytter ikke kun selve solcellen mod korrosion, men forbedrer også ladningstransporten takket være dens fordelagtige elektroniske egenskaber", siger Dr. Matthias May, som udførte en del af effektivitetsbestemmelsesforsøgene på HZB Institute for Solar Fuels i forløberlaboratoriet til Solar-Fuel Testing Facility of the Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF). Det nu offentliggjorte rekordtal er baseret på arbejde, som May allerede havde påbegyndt som ph.d.-studerende ved HZB, og for hvilket han blev tildelt Helmholtzforeningens doktorgradspris for energiforskningsområdet i 2016. "Vi var i stand til at øge driftstiden til næsten 100 timer. Dette er et stort fremskridt i forhold til tidligere systemer, der allerede var korroderet efter 40 timer. Ikke desto mindre, der er stadig meget at gøre", May forklarer.

Det er fordi det stadig er grundforskning om små, højprissystemer i laboratoriet. Imidlertid, forskerne er optimistiske:"Dette arbejde viser, at skræddersyede tandemceller til direkte solvandsspaltning har potentiale til at opnå effektiviteter ud over 20 procent. En tilgang til dette er at vælge endnu bedre båndgab-energier for de to absorbermaterialer i tandemcellen. Og en af ​​de to kunne endda være silicium", forklarer prof. Thomas Hannappel, TU Ilmenau. Hold hos Fraunhofer ISE og TU Ilmenau arbejder på at designe celler, der kombinerer III-V halvledere med billigere silicium, hvilket kan reducere omkostningerne betydeligt."