Neuer Standard für grüne Wasserstofftechnologie, festgelegt von Ingenieuren der Rice University.
Ingenieure der Rice University können sich wenden Sonnenlicht in Wasserstoff mit rekordverdächtiger Effizienz dank eines Geräts, das die nächste Generation vereint Halogenid-Perowskit-Halbleiter* mit Elektrokatalysatoren in einem einzigen, langlebigen, kostengünstigen und skalierbaren Gerät.
Laut eine Studie Wie in Nature Communications veröffentlicht, erreichte das Gerät einen Wirkungsgrad der Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff von 20.8 %.
Die neue Technologie ist ein bedeutender Fortschritt für saubere Energie und könnte als Plattform für eine Vielzahl chemischer Reaktionen dienen, bei deren Umwandlung solargeernteter Strom genutzt wird Rohstoffe in Kraftstoffe.
Das Labor des Chemie- und Biomolekularingenieurs Aditya Mohite baute den integrierten Photoreaktor mit einer Korrosionsschutzbarriere, die den Halbleiter vor Wasser isoliert, ohne den Elektronentransfer zu behindern.
„Die Nutzung von Sonnenlicht als Energiequelle zur Herstellung von Chemikalien ist eine der größten Hürden für eine saubere Energiewirtschaft“, sagte Austin Fehr, Doktorand im Bereich Chemie- und Biomolekulartechnik und einer der Hauptautoren der Studie.
„Unser Ziel ist der Aufbau wirtschaftlich realisierbarer Plattformen, die solarbasierte Kraftstoffe erzeugen können. Hier haben wir ein System entwickelt, das Licht absorbiert und elektrochemisch vervollständigt wasserspaltende Chemie auf seiner Oberfläche.“
Das Gerät wird als photoelektrochemische Zelle bezeichnet, da die Absorption von Licht, seine Umwandlung in Elektrizität und die Nutzung der Elektrizität zum Antreiben einer chemischen Reaktion alle im selben Gerät erfolgen. Bisher wurde der Einsatz photoelektrochemischer Technologie zur Herstellung von grünem Wasserstoff durch geringe Wirkungsgrade und hohe Halbleiterkosten erschwert.
„Alle Geräte dieser Art produzieren grünen Wasserstoff nur mit Sonnenlicht und Wasser, aber unseres ist außergewöhnlich, weil es eine rekordverdächtige Effizienz hat und einen sehr günstigen Halbleiter verwendet“, sagte Fehr.
Das Mohite-Labor und seine Mitarbeiter schufen das Gerät, indem sie ihre eigenen drehten äußerst wettbewerbsfähige Solarzelle in einen Reaktor, der die gewonnene Energie nutzen könnte, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten.
Die Herausforderung, die sie bewältigen mussten, bestand darin, dass Halogenid-Perowskite* in Wasser extrem instabil sind und Beschichtungen zur Isolierung der Halbleiter entweder ihre Funktion störten oder sie beschädigten.
„In den letzten zwei Jahren haben wir immer wieder verschiedene Materialien und Techniken ausprobiert“, sagte er Michael Wong, ein Rice-Chemieingenieur und Mitautor der Studie.
Nachdem langwierige Versuche nicht zum gewünschten Ergebnis führten, fanden die Forscher schließlich eine erfolgreiche Lösung.
„Unsere wichtigste Erkenntnis war, dass man zwei Schichten der Barriere brauchte, eine, um das Wasser zu blockieren, und eine, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen den Perowskitschichten und der Schutzschicht herzustellen“, sagte Fehr.
„Unsere Ergebnisse sind der höchste Wirkungsgrad für photoelektrochemische Zellen ohne Sonnenkonzentration und der beste insgesamt für diejenigen, die Halogenid-Perowskit-Halbleiter verwenden.
„Es ist eine Premiere für einen Bereich, der in der Vergangenheit von unerschwinglich teuren Halbleitern dominiert wurde, und könnte zum ersten Mal überhaupt einen Weg zur kommerziellen Machbarkeit für diesen Gerätetyp darstellen“, sagte Fehr.
Die Forscher zeigten, dass ihr Barrieredesign für unterschiedliche Reaktionen und mit unterschiedlichen Halbleitern funktionierte, sodass es auf viele Systeme anwendbar war.
„Wir hoffen, dass solche Systeme als Plattform dienen werden, um eine breite Palette von Elektronen zu brennstoffbildenden Reaktionen zu treiben, wobei reichlich vorhandene Rohstoffe und nur Sonnenlicht als Energiequelle zum Einsatz kommen“, sagte Mohite.
„Mit weiteren Verbesserungen der Stabilität und Skalierung könnte diese Technologie die Wasserstoffwirtschaft eröffnen und die Art und Weise, wie Menschen Dinge herstellen, von fossilen Brennstoffen auf Solarbrennstoffe umstellen“, fügte Fehr hinzu.
Perowskit – Dieses Mineral hat eine höhere Leitfähigkeit als Silizium und ist weniger zerbrechlich. Es kommt auch auf der Erde viel häufiger vor. Im letzten Jahrzehnt haben erhebliche Anstrengungen zu spektakulären Entwicklungen geführt, doch ihre Einführung in die zukünftige Optoelektronik bleibt eine Herausforderung.
Perowskit-Photovoltaikzellen sind immer noch instabil und unterliegen einer vorzeitigen Alterung. Darüber hinaus enthalten sie Blei, ein Material, das sehr schädlich für die Umwelt und die menschliche Gesundheit ist. Aus diesen Gründen können die Panels nicht vermarktet werden.
Halogenierte Hybridperowskite sind eine Klasse von Halbleitermaterialien, die in den letzten Jahren aufgrund ihrer bemerkenswerten photoelektrischen Eigenschaften und ihrer Anwendungen in Photovoltaiksystemen im Mittelpunkt besonderer Forschung standen.
