Совершён прорыв в производстве солнечного водорода

Команда инженеров из Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца (HZB) и Делфтского технического университета (Technische Universiteit Delft) разработали новую методику производства так называемого солнечного водорода.

Инженеры создали простое и элегантное устройство, способное разделять молекулы воды на водород и кислород, используя при этом только энергию нашего светила. Эта технология получила название искусственного фотосинтеза, и с её помощью можно хранить энергию солнца в виде водорода. Затем водород можно использовать либо напрямую, либо в форме метана, или же с его помощью можно генерировать электричество в топливном элементе.

Они использовали обычный солнечный фотоэлемент и металлоксидный анод и в ходе эксперимента получили около пяти процентов солнечной энергии, конвертированной в химическую — в виде водорода.

Созданный голландцами солнечный элемент гораздо проще, чем трёхкомпонентные соединения на основе аморфного кремния или же дорогостоящие полупроводники группы III-V, которые обычно используются в этой области.

Анод был создан из ванадата висмута (BiVO4) с добавлением небольшого количества атомов вольфрама. Его распылили на кусок проводящего стекла и покрыли сверху фосфатом кобальта, который исполняет роль катализатора.

"Мы соединили лучшее из двух миров: взяли химически стабильный недорогой металлоксид и добавили тонкую плёнку фотоэлемента на кремниевой основе. В результате мы получили бюджетное высокоэффективное устройство для производства солнечного топлива", — с восторгом рассказывает о результате своих трудов глава Института солнечного топлива при Берлинском центре материалов и энергии Рул ван де Крол (Roel van de Krol).

Слой оксида металла — единственная часть фотоэлемента, которая контактирует с водой и выступает в качестве анода при производстве водорода. Также он служит для предотвращения коррозии (появления ржавчины) на чувствительном кремниевом элементе. В ходе исследования учёные оптимизировали процессы поглощения света, отделения зарядов и распада молекул воды.

К тому же, в ходе изготовления конструкции они смогли решить одну важную проблему: благодаря тому что они использовали недорогой катализатор — фосфат кобальта — процесс формирования кислорода на фотоаноде удалось значительно ускорить.

Самой трудной задачей было отделение электрических зарядов из ванадиево-висмутовой плёнки. Металлоксиды могут быть дешёвыми и стабильными, но носители заряда имеют тенденцию к быстрой реорганизации. В таком случае расщеплять молекулы воды уже было бы невозможно. Эту проблему удалось решить добавлением небольшого количества атомов вольфрама в плёнку из ванадата висмута.

"Важно было распределить эти атомы особым образом, так чтобы они создали электрическое поле, предотвращающее процесс реорганизации носителей заряда", — поясняет ван де Крол в пресс-релизе.

Для этого учёные взяли раствор из соединений вольфрама и ванадата висмута и распылили его на нагретую пластину из проводящего стекла, после чего часть раствора испарилась. Учёные опробовали распыление растворов с разными концентрациями вольфрама до тех пор, пока не получилась высокоэффективная металлоксидная плёнка толщиной в 300 нанометров.

"В теории эффективность конвертации солнечной энергии в химическую может составлять до 9% при условии использования анода из ванадата висмута", — говорит ван де Крол. Голландские учёные же получили результат 5%, а благодаря своим усовершенствованиям они надеются довести эффективность преобразователя до 10%.

"Честно говоря, мы пока не поняли, почему именно ванадат висмута работает лучше других металлоксидов. Мы обнаружили, что около 80% падающих на поверхность фотонов вносят свой вклад в получаемый электрический заряд. Это неожиданно высокий результат, который делает наше изобретение рекордсменом среди металлоксидов в этой области", — говорит ван де Крол.

На следующем этапе работы инженеры планируют создать солнечный фотоэлемент-анод площадью в несколько квадратных метров, способный запасти достаточное количество водорода для демонстрации.

Учёные уже подсчитали, что "производительность" солнца в Германии равна приблизительно 600 ваттам на квадратный метр. Это означает, что 100 квадратных километров этой системы теоретически способны запасать около трёх киловатт-часов энергии в виде водорода всего за один час при солнечной погоде. Запасы энергии могут быть использованы ночью или же в пасмурные дни.

Подробно о проведённой работе голландцев рассказывает статья, опубликованная в журнале Nature Communications.