Новий стандарт для технології зеленого водню, встановлений інженерами Університету Райса.
Інженери Університету Райса можуть звернутись сонячне світло в водень з рекордною ефективністю завдяки пристрою, який поєднує в собі наступне покоління галогенідні перовскітні напівпровідники* с електрокаталізатори в одному довговічному, економічно ефективному та масштабованому пристрої.
За оцінками дослідження опублікованому в Nature Communications, пристрій досяг ефективності перетворення сонячної енергії на водень 20.8%.
Нова технологія є значним кроком вперед для чистої енергії та може служити платформою для широкого спектру хімічних реакцій, які використовують сонячну електроенергію для перетворення сировина в паливо.
Лабораторія хімічної та біомолекулярної інженерії Адітя Мохіте створив інтегрований фотореактор, використовуючи антикорозійний бар’єр, який ізолює напівпровідник від води, не перешкоджаючи передачі електронів.
«Використання сонячного світла як джерела енергії для виробництва хімічних речовин є однією з найбільших перешкод для економіки чистої енергії», — сказав Остін Фер, докторант хімічної та біомолекулярної інженерії та один із провідних авторів дослідження.
«Наша мета — побудувати економічно доцільні платформи, які можуть генерувати сонячне паливо. Тут ми розробили систему, яка поглинає світло та виконує електрохімічні процеси водорозщеплювальна хімія на його поверхні».
Пристрій відомий як фотоелектрохімічний елемент, оскільки поглинання світла, його перетворення в електрику та використання електрики для живлення хімічної реакції відбуваються в одному пристрої. Досі використання фотоелектрохімічної технології для виробництва зеленого водню ускладнювалося низькою ефективністю та високою вартістю напівпровідників.
«Усі пристрої цього типу виробляють зелений водень, використовуючи лише сонячне світло та воду, але наш є винятковим, тому що він має рекордну ефективність і використовує напівпровідник, який є дуже дешевим», — сказав Фер.
Команда Лабораторія Mohite і його співробітники створили пристрій, повернувши їх висококонкурентоспроможна сонячна батарея в реактор, який міг би використовувати зібрану енергію для розщеплення води на кисень і водень.
Проблема, яку їм довелося подолати, полягала в тому, що галоїдні перовскіти* надзвичайно нестійкі у воді, а покриття, що використовуються для ізоляції напівпровідників, у кінцевому підсумку або порушили їхню роботу, або пошкодили їх.
«Протягом останніх двох років ми пробували різні матеріали та техніки, — сказав він Майкл Вонг, інженер-хімік Райс і співавтор дослідження.
Після того, як тривалі випробування не дали бажаного результату, дослідники нарешті знайшли виграшне рішення.
«Наше головне розуміння полягало в тому, що для бар’єру потрібні два шари: один для блокування води, а другий — для хорошого електричного контакту між шарами перовскіту та захисним шаром», — сказав Фер.
«Наші результати є найвищою ефективністю для фотоелектрохімічних елементів без сонячної концентрації та найкращими в цілому для тих, хто використовує галоїдні перовскітові напівпровідники.
«Це вперше в галузі, в якій історично домінували надто дорогі напівпровідники, і це може стати шляхом до комерційної здійсненності такого типу пристроїв вперше в історії», — сказав Фер.
Дослідники показали, що їх конструкція бар’єру працює для різних реакцій і з різними напівпровідниками, що робить її застосовною в багатьох системах.
«Ми сподіваємося, що такі системи слугуватимуть платформою для залучення широкого спектру електронів до реакцій утворення палива з використанням великої кількості сировини лише з сонячним світлом як вхідною енергією», — сказав Мохіт.
«З подальшим покращенням стабільності та масштабу ця технологія може відкрити водневу економіку та змінити спосіб, у який люди переробляють викопне паливо на сонячне», — додав Фер.
Перовскіт – Цей мінерал має вищу провідність, ніж кремній, і менш крихкий. Його також набагато більше на Землі. За останнє десятиліття значні зусилля призвели до вражаючих розробок, але його впровадження в оптоелектроніці майбутнього залишається проблемою.
Перовскітні фотоелементи все ще нестабільні та передчасно старіють. Більше того, вони містять свинець, матеріал, який дуже шкідливий для навколишнього середовища та здоров’я людини. З цих причин панелі не можуть бути продані.
Галогеновані гібридні перовскіти це клас напівпровідникових матеріалів, які останніми роками були предметом спеціальних досліджень через їхні чудові фотоелектричні властивості та застосування у фотоелектричних системах.
