轉換率又增加,科學家刷新了太陽能分解水效率的世界紀錄

時間:2018-07-08
轉換率又增加,科學家刷新了太陽能分解水效率的世界紀錄

含有銠納米粒子作為催化劑的透明防腐蝕塗層。來源:ACS Energy Letters

在可持續能源系統中,氫將作為存儲能量的介質發揮核心作用。目前,一個國際研究小組已經成功地提高了太陽能分解水產生氫氣的效率,目前他們的轉換率達到了創紀錄的19%。他們通過將III-V族半導體串聯太陽能電池,然後與銠納米顆粒催化劑和結晶二氧化鈦塗層結合做到了這一點。來自加州理工大學、劍橋大學、伊爾梅瑙理工大學和弗勞恩霍夫太陽能系統研究所的聯合團隊參加了這項工作。這項實驗的一部分在亥姆霍茲柏林太陽能研究所完成。

光伏發電是可再生能源供應系統的支柱。陽光在世界範圍內廣泛存在,但並非晝夜不停。解決這種波動性發電的一個解決方案是,以化學能的形式儲存這種能量,特別是利用陽光產生氫氣。這是因為氫可以安全地儲存,並且可以在許多方面被使用——無論是在燃料電池中直接產生電和熱,還是作為製造燃料的原料。如果將太陽能電池與催化劑和附加功能層組合成一塊“整體光電極”的話,那麼分解水就變得特別簡單:光電陰極浸沒在水介質中,當陽光灑到它上面時,氫在前側形成,背面則產生氧氣

透明防腐層

對於正在這裡研究的單片光電陰極,研究團隊將附加功能層與Fraunhofer ISE開發的III-V族半導體制成的高效串聯電池相結合。這使得它們能夠降低電池的表面反射率,從而避免由光反射引起的能量損失。美國加州理工學院的Hans Joachim Lewerenz教授解釋說:“這也是我們工作的創新所在”,因為在2015年,我們已經在早期的電池中獲得了超過14%的轉化效率,這是當時的世界記錄。在這裡,我們用一層結晶二氧化鈦層代替了防腐頂層,這種二氧化鈦層不僅具有優異的抗反射性能,而且催化劑顆粒也附著在這種材料上面。加州理工學院的教授Harry Atwater補充說:此外,我們還使用了一種新的電化學方法產生銠納米顆粒,這種顆粒用於催化水裂解反應。這些粒子直徑只有十納米,因此在光學上來說幾乎是透明的,這使得它們非常適合這項工作。

在模擬太陽輻射的情況下,科學家在稀水性高氯酸中獲得19.3%的轉化效率,而在中性pH值的電解液中仍能達到18.5%。這些數字接近23%,這是最大的理論轉化效率,我們可以用這種組合的固有電子特性來實現。

“晶體二氧化鈦層不僅保護了太陽能電池免受外界腐蝕,而且由於二氧化鈦有利的電子特性改善了電荷傳輸”,Matthias May博士說,他在HZB研究所,對亥姆霍茲能源材料鑄造廠(HEMF)的太陽能燃料測試設施進行了部分效率測定實驗。現在公佈的數字是基於HZB博士生的工作,他在2016獲得了亥姆霍茲協會能源研究博士獎。我們可以將操作壽命提高到100小時左右。與之前的40小時相比,這是腐蝕系統的一個重大進步。儘管如此,我們仍然有很多事情要做,” May解釋道。

這是因為我們仍然是在實驗室中,以小型、高價系統進行的基礎研究。然而,研究人員對此表現的非常樂觀:“這項工作表明,定製的串聯電池直接進行太陽能水分解有可能實現超過20%的效率。一種方法是為串聯電池中的兩種吸收體材料選擇更好的帶隙能量,另外一種方法是採用硅,伊爾梅瑙理工大學的Thomas Hannappel教授解釋說。FrunHoffer-ISE和伊爾梅瑙理工大學的團隊正在設計將III-V半導體與低價硅結合起來的電池,這樣可以大大降低成本

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