Ny standard för grönt vätgasteknik satt av ingenjörer från Rice University.
Rice University ingenjörer kan vända solljus till väte med rekordstor effektivitet tack vare en enhet som kombinerar nästa generation halogenidperovskithalvledare* med elektrokatalysatorer i en enda, hållbar, kostnadseffektiv och skalbar enhet.
Enligt en studie publicerad i Nature Communications, uppnådde enheten en omvandlingseffektivitet på 20.8 % sol-till-väte.
Den nya tekniken är ett viktigt steg framåt för ren energi och kan fungera som en plattform för ett brett spektrum av kemiska reaktioner som använder solfångad el för att omvandla råvaror till bränslen.
Labbet av kemi- och biomolekylär ingenjör Aditya Mohite byggde den integrerade fotoreaktorn med hjälp av en antikorrosionsbarriär som isolerar halvledaren från vatten utan att hindra överföringen av elektroner.
"Att använda solljus som energikälla för att tillverka kemikalier är ett av de största hindren för en ren energiekonomi", säger Austin Fehr, doktorand i kemi- och biomolekylärteknik och en av studiens huvudförfattare.
"Vårt mål är att bygga ekonomiskt genomförbara plattformar som kan generera soldrivna bränslen. Här har vi designat ett system som absorberar ljus och kompletterar elektrokemiskt vattensönderdelningskemi på dess yta."
Enheten är känd som en fotoelektrokemisk cell eftersom absorptionen av ljus, dess omvandling till elektricitet och användningen av elektriciteten för att driva en kemisk reaktion alla sker i samma enhet. Fram till nu har användningen av fotoelektrokemisk teknik för att producera grönt väte hämmats av låg verkningsgrad och de höga kostnaderna för halvledare.
"Alla enheter av den här typen producerar grönt väte med bara solljus och vatten, men vår är exceptionell eftersom den har rekordeffektiv effektivitet och den använder en halvledare som är mycket billig," sa Fehr.
Smakämnen Mohite lab och dess medarbetare skapade enheten genom att vrida på deras mycket konkurrenskraftig solcell in i en reaktor som kunde använda skördad energi för att dela vatten till syre och väte.
Utmaningen de var tvungna att övervinna var att halogenidperovskiter* är extremt instabila i vatten och beläggningar som användes för att isolera halvledarna slutade med att antingen störa deras funktion eller skada dem.
"Under de senaste två åren har vi gått fram och tillbaka och provat olika material och tekniker," sa Michael Wong, en Rice kemiingenjör och medförfattare på studien.
Efter att långa försök misslyckats med att ge önskat resultat, kom forskarna äntligen över en vinnande lösning.
"Vår nyckelinsikt var att du behövde två lager till barriären, ett för att blockera vattnet och ett för att skapa bra elektrisk kontakt mellan perovskitlagren och skyddsskiktet," sa Fehr.
"Våra resultat är den högsta effektiviteten för fotoelektrokemiska celler utan solkoncentration, och de bästa totalt sett för de som använder halogenidperovskithalvledare.
"Det är en första för ett område som historiskt har dominerats av oöverkomligt dyra halvledare, och kan representera en väg till kommersiell genomförbarhet för denna typ av enhet för första gången någonsin," sa Fehr.
Forskarna visade att deras barriärdesign fungerade för olika reaktioner och med olika halvledare, vilket gjorde den tillämpbar i många system.
"Vi hoppas att sådana system kommer att fungera som en plattform för att driva ett brett spektrum av elektroner till bränslebildande reaktioner med hjälp av rikliga råvaror med endast solljus som energitillförsel," sade Mohite.
"Med ytterligare förbättringar av stabilitet och skala kan den här tekniken öppna upp väteekonomin och förändra hur människor gör saker från fossilt bränsle till solbränsle," tillade Fehr.
Perovskite – Detta mineral har en högre ledningsförmåga än kisel och är mindre skört. Det är också mycket rikligare på jorden. Under det senaste decenniet har avsevärda ansträngningar lett till spektakulära utvecklingar, men dess införande i framtida optoelektronik är fortfarande en utmaning.
Perovskite solceller är fortfarande instabila och åldras i förtid. Dessutom innehåller de bly, ett material som är mycket skadligt för miljön och människors hälsa. Av dessa skäl kan panelerna inte marknadsföras.
Halogenerade hybridperovskiter är en klass av halvledarmaterial som har varit i fokus för särskild forskning de senaste åren för sina anmärkningsvärda fotoelektriska egenskaper och deras tillämpningar i solcellssystem.
