Effektiv kunstig fotosyntese

REKORD FOR SOLAR HYDROGEN EFFEKTIVITET, BRUDT EFTER 17 ÅR

Solenergi er tilgængelig globalt og i overflod, men desværre ikke konstant og ikke overalt. En særlig interessant løsning til opbevaring af denne energi er kunstig fotosyntese. Ethvert træløv kan omdanne sollys til kemisk energi. Det kan også ske med kunstige systemer baseret på halvledere. Disse bruger den elektriske kraft, som sollys opretter i individuelle halvleder-komponenter for at opdele vand i ilt og brint.

Hydrogen som har meget høj energitæthed, kan anvendes på mange måder og kunne erstatte fossile brændstoffer. Derudover frigøres ingen kuldioxid, hvilket er skadelig for klimaet, fra hydrogen under forbrænding, i stedet for, kun vand. Indtil nu har fremstillingen af brint fra solen på industrielt niveau, mislykkedes på grund af omkostningerne. Dette skyldes, at effektiviteten af ​​kunstig fotosyntese, dvs. hydrogenindholdet i energi sammenlignet med sollys, simpelthen har været økonomisk for lav, til at producere hydrogen fra solen.

Tandem Cell - solar hydrogen

Rekordværdi overskrides nu

Videnskabelige faciliteter verden over har derfor i mange år forsket på, at bryde den eksisterende rekord for kunstig fotosyntese på 12,4%, som er blevet holdt i 17 år af NREL i USA.

Kernekomponent: Tandem Solar Cell

Nu er et hold fra TU Ilmenau, Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), California Institute of Technology og Fraunhofer ISE betydeligt overskredet denne rekordværdi. Matthias May, aktiv i TU Ilmenau og HZB Institute for Solar Fuels, behandlede og undersøgte omkring et hundrede prøver i sin fremragende doktorafhandling for at opnå dette.

De grundlæggende komponenter er tandem solceller, kendt som III-V halvledere. Ved hjælp af en nu patenteret foto-elektrokemisk proces, kunne May ændre visse overflader af disse halvleder systemer på en sådan måde, at de fungerede bedre i deling af vand.

Stabilitet forbedret

“Vi har i elektronisk og kemisk specifikt passiveret lagene af aluminium-indium-phosphid og dermed effektivt koblet til katalysatorlaget til hydrogengenerering. På denne måde kunne vi styre overfladens sammensætning ved sub-nanometer skalaer”, forklarer May. Der var også en enorm forbedring i den langsigtede stabilitet. I starten overlevede prøverne kun nogle få sekunder, før deres strømforbrug kollapsede. Efter et år med optimering forbliver de stabile i over 40 timer. Yderligere skridt hen imod et langsigtet mål for stabilitet på 1000 timer er allerede i gang.

Næste mål er synligt

“Prognoser viser, at frembringelsen af ​​hydrogen fra sollys ved hjælp af højeffektive halvledere, kunne være økonomisk konkurrencedygtig over for fossile energikilder med effektivitetsniveauer på 15% eller mere. Det svarer til en hydrogenpris på omkring fire amerikanske dollars pr. kilo”, siger professor Thomas Hannappel fra solcellegruppen på TU Ilmenau, der var akademisk rådgiver for arbejdet. Prof. Hans-Joachim Lewerenz fra Joint Center for Artificial Photosynthesis ved California Institute of Technology, der arbejdede tæt sammen med May, sagde: “Vi er der næsten. Hvis vi nu lykkes med at reducere ladningstab ved grænsefladerne noget mere, kan vi muligvis kemisk lagre endda mere end 17% af den hidtidige solenergi i form af hydrogen ved hjælp af dette halvledersystem. ”

###

Den videnskabelige artikel udgives i Nature Communications [May, M. M. et al. Efficient direct solar-to-hydrogen conversion by in situ interface transformation of a tandem structure. Nat. Commun. 6:8286. Doi: 10. 1038/ncomms9286 (2015)].

 

Link