Grafitbelægning gør perovskit-solceller vandtætte

En billigere, en renere og mere bæredygtig måde at fremstille brintbrændstof fra vand ved hjælp af sollys er et skridt nærmere takket være ny forskning fra University of Baths Center for Sustainable Chemical Technologies.

Med presset på globale ledere for at reducere kulstofemissionerne betydeligt for at løse en nødsituation med klimaændringer, der er et presserende behov for at udvikle renere energialternativer til afbrænding af fossile brændstoffer. Brint er et brændstofalternativ med nul CO2-emission, der kan bruges til at drive biler, kun producerer vand som affaldsprodukt.

Det kan laves ved at spalte vand i brint og ilt, men processen kræver store mængder elektricitet. Det meste elektricitet er lavet ved at brænde metan, så forskere ved University of Bath udvikler nye solceller, der bruger lysenergi direkte til at spalte vand.

De fleste solceller på markedet i øjeblikket er lavet af silicium, dog er de dyre at lave og kræver meget meget rent silicium at fremstille. De er også ret tykke og tunge, hvilket begrænser deres applikationer.

Perovskite solceller, ved at bruge materialer med samme 3D-struktur som calcium titaniumoxid, er billigere at lave, tyndere og kan nemt printes på overflader. De arbejder også under dårlige lysforhold og kan producere en højere spænding end siliciumceller, hvilket betyder, at de kan bruges indendørs til at forsyne enheder uden at skulle tilsluttes stikkontakten.

Ulempen er, at de er ustabile i vand, hvilket udgør en stor hindring i deres udvikling og også begrænser deres brug til direkte generering af rent brintbrændstof.

Holdet af forskere og kemiingeniører, fra University of Baths Center for Sustainable Chemical Technologies, har løst dette problem ved at bruge en vandtæt belægning fra grafit, materialet, der bruges i blyantledninger.

De testede vandtætningen ved at nedsænke de belagte perovskitceller i vand og bruge den høstede solenergi til at opdele vand til brint og ilt. De belagte celler arbejdede under vandet i 30 timer - ti timer længere end den tidligere rekord.

Efter denne periode, limen, der lagde pelsen til cellerne, mislykkedes; forskerne forventer, at brug af en stærkere lim kan stabilisere cellerne i endnu længere tid.

Tidligere, legeringer indeholdende indium blev brugt til at beskytte solcellerne til vandspaltning, indium er dog et sjældent metal og er derfor dyrt, og minedriftsprocessen for at opnå det er ikke bæredygtig.

Bath-teamet brugte i stedet kommercielt tilgængelig grafit, hvilket er meget billigt og meget mere bæredygtigt end indium.

Dr. Petra Cameron, lektor i kemi, sagde:"Perovskite solcelleteknologi kunne gøre solenergi meget mere overkommelig for folk og tillade solceller at blive printet på tagsten. Men i øjeblikket er de virkelig ustabile i vand - solceller er ikke meget nyttige, hvis de opløses i regnen !'

"Vi har udviklet en belægning, der effektivt kunne vandtætte cellerne til en række anvendelser. Det mest spændende ved dette er, at vi brugte kommercielt tilgængelig grafit, som er meget billigere og mere bæredygtigt end de materialer, der tidligere er prøvet."

Perovskite solceller producerer en højere spænding end siliciumbaserede celler, men der skal stadig ikke nok til at spalte vand alene ved hjælp af solceller. For at løse denne udfordring, holdet tilføjer katalysatorer for at reducere det energibehov, der er nødvendigt for at drive reaktionen.

Isabella Poli, Marie Curie FIRE Fellow og Ph.D. studerende fra Center for Sustainable Chemical Technologies, sagde:"I øjeblikket fremstilles brintbrændstof ved afbrænding af metan, som hverken er rent eller bæredygtigt.

"Men vi håber, at vi i fremtiden kan skabe rene brint- og oxygenbrændstoffer fra solenergi ved hjælp af perovskitceller."

Undersøgelsen er publiceret i open access-tidsskriftet Naturkommunikation .