Исследователи по всему миру работают над более эффективными методами получения водорода. Водород мог бы внести решающий вклад в сокращение потребления ископаемого сырья, особенно если он производится с использованием возобновляемых источников энергии. Существующие технологии производства климатически нейтрального водорода все еще слишком неэффективны или дороги для более широкого применения.
Исследовательская группа из Тюбингенского университета в настоящее время представляет новый тип солнечных элементов с удивительно высокой эффективностью. Это позволяет децентрализовать производство водорода и имеет потенциал для применения в промышленных масштабах. Результаты были опубликованы в журнале Cell Reports Physical Science.
Когда водород получают из воды путем электролиза с использованием возобновляемых источников энергии, его называют «зеленым водородом» из-за его экологически чистого производства. При солнечном расщеплении воды, часто называемом искусственным фотосинтезом, водород образуется с использованием энергии солнца.
Исследовательская группа под руководством доктора Маттиаса Мэя из Института физической и теоретической химии Тюбингенского университета разработала солнечный элемент, который является неотъемлемой частью фотоэлектрохимического аппарата и работает непосредственно с катализаторами расщепления воды. Особенностью разработки в Тюбингене является то, что больше нет необходимости в дополнительном внешнем контуре, например, в фотоэлектрической солнечной панели.
Этот инновационный подход делает технологию более компактной, гибкой и потенциально более экономичной. Но при такой конструкции к солнечному элементу предъявляются более высокие требования. «Среди исследователей в этой области реализация стабильного и эффективного фотоэлектрохимического или прямого расщепления воды является чем-то вроде святого Грааля», — говорит Мэй.
Особенностью конструкции солнечного элемента является высокая степень контроля границ раздела между различными материалами. Поверхностные структуры здесь создаются и проверяются в масштабе нескольких нанометров, или миллионных долей миллиметра. Особенно неприятными являются мелкие кристаллические дефекты, которые возникают, например, при выращивании слоев солнечных элементов. Такие дефекты также изменяют электронную структуру и, следовательно, могут снизить как эффективность, так и стабильность системы.
Мэй добавляет: «Однако в целом коррозия — и, следовательно, долгосрочная стабильность солнечного элемента в воде — по—прежнему остается самой большой проблемой. В этом мы сейчас добились большого прогресса по сравнению с нашей предыдущей работой».
Технический дизайн новой ячейки является одновременно инновационным и особенно эффективным. Коэффициент полезного действия элемента показывает, какой процент энергии солнечного света может быть преобразован в полезную энергию водорода (теплотворная способность).
Исследовательская группа достигла эффективности в 18%, что является вторым по величине показателем, когда-либо измеренным для прямого расщепления воды солнечными лучами. Первые значительные показатели эффективности солнечного расщепления воды были представлены в 1998 году компанией NREL в США и составили 12%. Только в 2015 году за этим последовал скачок до 14%, а в 2018 году — до 19%.
Несколько проектов в других университетах демонстрируют, что технология, даже с гораздо меньшей эффективностью, может быть коммерциализирована. Эрика Шмитт, первый автор исследования, объясняет: «То, что мы разработали здесь, — это технология производства водорода на солнечной энергии, которая не требует высокопроизводительного подключения к электросети. Это означает, что также возможны постоянные автономные решения меньшего размера для энергоснабжения».
Следующие шаги включают повышение долгосрочной стабильности, переход на более экономичную систему материалов на основе кремния и масштабирование до больших площадей поверхности. Результаты исследований могли бы внести значительный вклад в энергоснабжение и сокращение выбросов CO2.