En solcelle, der gør dobbelt pligt til vedvarende energi

I jagten på rigeligt, vedvarende alternativer til fossile brændstoffer, forskere har søgt at høste solens energi gennem "vandspaltning, "en kunstig fotosynteseteknik, der bruger sollys til at generere brintbrændstof fra vand. Men vandspaltende enheder mangler endnu at leve op til deres potentiale, fordi der stadig ikke er et design til materialer med den rigtige blanding af optisk, elektronisk, og kemiske egenskaber, der er nødvendige for, at de kan fungere effektivt.

Nu er forskere ved U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), et DOE Energy Innovation Hub, er kommet med en ny opskrift på vedvarende brændstoffer, der kan omgå begrænsningerne i nuværende materialer:en kunstig fotosyntesenhed kaldet en "hybrid fotoelektrokemisk og voltaisk (HPEV) celle", der gør sollys og vand til ikke bare en, men to energityper - brintbrændstof og elektricitet. Papiret, der beskriver dette arbejde, blev offentliggjort den 29. oktober i Naturmaterialer .

At finde en vej ud for elektroner

De fleste vandspalteanordninger er fremstillet af en stak lysabsorberende materialer. Afhængig af dets makeup, hvert lag absorberer forskellige dele eller "bølgelængder" af solspektret, lige fra mindre energiske bølgelængder af infrarødt lys til mere energiske bølgelængder af synligt eller ultraviolet lys.

Når hvert lag absorberer lys, bygger det en elektrisk spænding. Disse individuelle spændinger kombineres til en spænding, der er stor nok til at opdele vand i ilt og brintbrændstof. Men ifølge Gideon Segev, en postdoktor ved JCAP i Berkeley Labs Chemical Sciences Division og undersøgelsens hovedforfatter, problemet med denne konfiguration er, at selvom siliciumsolceller kan generere elektricitet meget tæt på deres grænse, deres potentiale med høj ydeevne kompromitteres, når de er en del af en vandopdelingsenhed.

Den strøm, der passerer gennem enheden, er begrænset af andre materialer i stakken, der ikke fungerer så godt som silicium, og som følge heraf, systemet producerer meget mindre strøm, end det kunne - og jo mindre strøm det genererer, jo mindre solbrændstof det kan producere.

"Det er som altid at køre en bil i første gear, "sagde Segev." Dette er energi, du kan høste, men fordi silicium ikke virker ved sit maksimale effektpunkt, de fleste af de ophidsede elektroner i silicium har ingen steder at gå hen, så de mister deres energi, før de bruges til at udføre nyttigt arbejde. "

At komme ud af første gear

Så Segev og hans medforfattere-Jeffrey W. Beeman, en JCAP -forsker i Berkeley Labs afdeling for kemiske videnskaber, og tidligere Berkeley Lab- og JCAP -forskere Jeffery Greenblatt, der nu leder det Bay Area-baserede teknologirådgiver Emerging Futures LLC, og Ian Sharp, nu professor i eksperimentel halvlederfysik ved det tekniske universitet i München i Tyskland - foreslog en overraskende enkel løsning på et komplekst problem.

"Vi troede, 'Hvad hvis vi bare slipper elektronerne ud?' "Sagde Segev.

I vandspaltningsanordninger, frontoverfladen er normalt dedikeret til produktion af solbrændstoffer, og bagsiden fungerer som en stikkontakt. For at omgå det konventionelle systems begrænsninger, de tilføjede en yderligere elektrisk kontakt til siliciumkomponentens bagside, resulterer i en HPEV -enhed med to kontakter på bagsiden i stedet for kun en. Den ekstra udgang ville gøre det muligt at opdele strømmen i to, så en del af strømmen bidrager til produktion af solbrændstoffer, og resten kan udvindes som elektrisk strøm.

Når det, du ser, er, hvad du får

Efter at have kørt en simulering for at forudsige, om HPEC ville fungere som designet, de lavede en prototype for at teste deres teori. "Og til vores overraskelse, det virkede! "sagde Segev." I videnskab, du er aldrig rigtig sikker på, om alt kommer til at fungere, selvom dine computersimuleringer siger, at de vil. Men det er også det, der gør det sjovt. Det var dejligt at se vores eksperimenter validere vores simuleringers forudsigelser. "

Ifølge deres beregninger, en konventionel solbrintgenerator baseret på en kombination af silicium og vismutvanadat, et materiale, der er bredt undersøgt til opdeling af solvand, ville generere brint ved en sol til brint effektivitet på 6,8 procent. Med andre ord, ud af al den hændende solenergi, der rammer overfladen af ​​en celle, 6,8 procent vil blive lagret i form af brintbrændstof, og resten er tabt.

I modsætning, HPEV -cellerne høster rester af elektroner, der ikke bidrager til brændstofproduktion. Disse restelektroner bruges i stedet til at generere elektrisk strøm, hvilket resulterer i en dramatisk stigning i den samlede solenergi -konverteringseffektivitet, sagde Segev. For eksempel, ifølge de samme beregninger, de samme 6,8 procent af solenergien kan lagres som brintbrændstof i en HPEV -celle fremstillet af vismutvanadat og silicium, og yderligere 13,4 procent af solenergien kan konverteres til elektricitet. Dette muliggør en samlet effektivitet på 20,2 procent, tre gange bedre end konventionelle solbrintceller.

Forskerne planlægger at fortsætte deres samarbejde, så de kan undersøge brugen af ​​HPEV -konceptet til andre applikationer såsom reduktion af kuldioxidemissioner. "Dette var virkelig en gruppeindsats, hvor mennesker med meget erfaring var i stand til at bidrage, "tilføjede Segev." Efter halvandet års arbejde sammen om en temmelig kedelig proces, det var dejligt at se vores eksperimenter endelig komme sammen. "