Новая методика сделает прорыв в выработке солнечного водорода

Команда інженерів із Берлінського центру матеріалів і енергії імені Гельмгольца (HZB) і Делфтского технічного університету розробила простий пристрій, який здатний розділяти молекули води на водень і кисень, використовуючи при цьому тільки енергію Сонця. Застосовувана в пристрої технологія отримала назву штучного фотосинтезу, і вона дозволить зберігати енергію сонця у вигляді водню. Суть такого зберігання полягає в тому, що отриманий водень в потрібний момент можна буде використовувати або напряму, або в формі метану, або ж для генерації електроенергії в паливному елементі.

При створенні пристрою інженери використали звичайний сонячний фотоелемент і металокисний анод. Після цього вони провели експеримент з використанням пристрою, в якому отримали близько п’яти відсотків сонячної енергії, конвертовану в хімічну – у вигляді водню.

Створений голландцями сонячний елемент набагато простіший, ніж трикомпонентні сполуки на основі аморфного кремнію або ж дорогі напівпровідники групи III-V, які зазвичай використовуються в цій області. Анод був створений з ванадату вісмуту (BiVO4) з додаванням невеликої кількості атомів вольфраму, – його розпилили на шматок провідного скла і покрили зверху фосфатом кобальту, який виконує роль каталізатора.

“Ми поєднали найкраще з двох світів: взяли хімічно стабільний недорогий металоксид і додали тонку плівку фотоелемента на кремнієвій основі. В результаті ми отримали бюджетний високоефективний пристрій для виробництва сонячного палива”, – із захопленням розповідає про результат своїх праць голова Інституту сонячного палива при Берлінському центрі матеріалів і енергії Рул ван де Крол (Roel van de Krol).

Шар оксиду металу – єдина частина фотоелемента, що контактує з водою і виступає в якості анода при виробництві водню. Також він служить для запобігання корозії (появи іржі) на чутливому кремнієвому елементі. У ході дослідження вчені оптимізували процеси поглинання світла, відділення зарядів і розпаду молекул води. До того ж, в ході виготовлення конструкції вони змогли вирішити одну важливу проблему: завдяки тому що вони використовували недорогий каталізатор – фосфат кобальту – процес формування кисню на фотоаноді вдалося значно прискорити.

Найважчим завданням було відділення електричних зарядів з ванадієво-висмутової плівки. Метал-оксиди можуть бути дешевими і стабільними, але носії заряду мають тенденцію до швидкої реорганізації. У такому випадку розщеплювати молекули води вже було б неможливо. Цю проблему вдалося вирішити додаванням невеликої кількості атомів вольфраму в плівку з ванадату вісмуту. “Важливо було розподілити ці атоми особливим чином, так щоб вони створили електричне поле, що запобігає процесу реорганізації носіїв заряду”, – пояснює ван де Крол у прес-релізі.

Для цього вчені взяли розчин із з’єднань вольфраму і ванадату вісмуту і розпорошили його на нагріту пластину з провідного скла, після чого частина розчину випарувалася. Вчені випробували розпорошення розчинів з різними концентраціями вольфраму до тих пір, поки не вийшла високоефективна металокисна плівка товщиною в 300 нанометрів.

“У теорії ефективність конвертації сонячної енергії в хімічну може становити до 9% за умови використання анода з ванадату вісмуту”, – каже ван де Крол. Голландські вчені ж отримали результат 5%, а завдяки своїм удосконаленням вони сподіваються довести ефективність перетворювача до 10%.

“Чесно кажучи, ми поки не зрозуміли, чому саме ванадат вісмуту працює краще за інших металоксидів. Ми виявили, що близько 80% падаючих на поверхню фотонів роблять свій внесок у одержуваний електричний заряд. Це несподівано високий результат, який робить наш винахід рекордсменом серед метал-оксидів в цій області “, – каже ван де Крол.

На наступному етапі роботи інженери планують створити сонячний фотоелемент-анод площею в кілька квадратних метрів, здатний запасти достатню кількість водню для демонстрації. Вчені вже підрахували, що “продуктивність” сонця в Німеччині дорівнює приблизно 600 ватам на квадратний метр. Це означає, що 100 квадратних метрів цієї системи теоретично здатні запасати близько трьох кіловат-годин енергії у вигляді водню всього за одну годину при сонячній погоді. Запаси енергії можуть бути використані вночі або ж у похмурі дні.