Нов световен рекорд в разделянето на вода със соларна енергия

Водородът ще изиграе основна роля като среда за съхранение в устойчивите енергийни системи. Отчитайки това, екип от учени успява да увеличи ефективността на процеса на получаване на водород чрез разделянето на вода с помощта на слънчева енергия до 19%.

Те постигат това, като комбинират тандемна соларна клетка с полупроводници от елементи от III и V група на периодичната система и катализатор от родиеви наночастици и покритие от кристален титанов диоксид. В разработката участват екипи от Института по технологии в Калифорния (Caltech), Университета в Кеймбридж, Техническия университет Илменау и Института Фраунхофер за соларни енергийни системи (ISE). Част от експериментите се провеждат в Института по соларна енергия в център Хелмхолц в Берлин.

Ако соларната клетка се комбинира с катализатори и допълнителни функционални слоеве до получаването на “монолитен фотоелектрод”, разделянето на водата се улеснява в значителна степен.

Фотокатодът е потопен във водна среда и при попадането на слънчева светлина върху него, на предната му страна се отделя водород, а на задната - кислород. В случая с изследвания монолитен фотоелектрод учените съчетават допълнителни функционални слоеве във високоефективна тандемна клетка, изработена от III-V полупроводници и разработена от ISE.

По този начин те успяват да намалят повърхностната отражателна способност на клетката и съответно да избегнат значителни загуби в резултат на паразитно поглъщане на светлина и отражение.

“Именно в това се крие иновацията, защото през 2015 г. успяхме да постигнем ефективност от 14%, което беше рекорд за времето си. Тук заменихме антикорозионния горен слой с покритие от кристален титанов диоксид, което не само се характеризира с отлични антирефлексни свойства, но и към което прилепват частиците на катализатора”, обяснява проф. Ханс-Йоахим Леверенц от Caltech.

“Освен това използвахме и нов електрохимичен процес за получаване на родиевите наночастици, които служат за катализиране на реакцията по разделяне на водата. Тези частици са с диаметър от само 10 нанометра и затова оптически са почти прозрачни, което ги прави изключително подходящи за задачата”, допълва проф. Хари Атуотър от Caltech.

При симулирано слънчево излъчване учените постигат ефективност от 19,3% в разреден воден разтвор на перхлорна киселина, като в същото време достигат и 18,5% в електролит с неутрално pH. Тези стойности доближават теоретично максималната ефективност от 23%, която може да бъде постигната с присъщите за тази комбинация от слоеве електронни свойства.

“Слоят от кристален титанов диоксид не само защитава същинската соларна клетка от корозия, но и подобрява преноса на заряд благодарение на подходящите му електронни свойства”, коментира д-р Матиас Мей, който провежда част от експериментите по определяне на ефективността.

Сега публикуваната рекордна стойност се основава на работата, която Мей започва като докторант в Института по соларна енергия в център Хелмхолц и за която през 2016 г. е отличен с награда в областта на енергийните изследвания.

“Успяхме да удължим експлоатационния живот до 100 часа. Това е значителен напредък в сравнение с предходните системи, които корозираха след 40 часа. Независимо от това обаче имаме още много работа”, обяснява Мей.

Това е така, защото към момента това е все още фундаментално проучване на малки и скъпи системи в лабораторията. Но изследователите са оптимисти: “Разработката ни показва, че специално изработените тандемни соларни клетки за директно разделяне на вода със соларна енергия имат потенциала за постигане на ефективност над 20%.

Един от подходите за това е да се изберат още по-подходящи абсорбиращи материали за тандемната клетка. Един от тях може да бъде дори силиций”, обяснява проф. Томас Ханапел от ТУ Илменау.

Екипи от учени от Фраунхофер ISE и ТУ Илменау работят по конструирането на клетки, които съчетават III-V полупроводници с по-евтиния силиций, което значително ще намали разходите.