science >> Wetenschap >  >> Chemie

Een zonnecel die dubbel werk doet voor hernieuwbare energie

Dankzij de extra achteruitgang van de HPEV-cel kan de stroom in tweeën worden gesplitst, zodat een deel van de stroom bijdraagt ​​aan de opwekking van zonnebrandstoffen, en de rest kan worden gewonnen als elektrische stroom. Krediet:Berkeley Lab, JCAP

In de zoektocht naar overvloed, hernieuwbare alternatieven voor fossiele brandstoffen, wetenschappers hebben geprobeerd de energie van de zon te oogsten door middel van "watersplitsing, " een kunstmatige fotosynthesetechniek die zonlicht gebruikt om waterstofbrandstof uit water te genereren. Maar watersplitsende apparaten moeten hun potentieel nog waarmaken omdat er nog steeds geen ontwerp is voor materialen met de juiste mix van optische, elektronisch, en chemische eigenschappen die nodig zijn om efficiënt te kunnen werken.

Nu onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (Berkeley Lab) en het Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), een DOE Energy Innovation Hub, hebben een nieuw recept bedacht voor hernieuwbare brandstoffen dat de beperkingen van de huidige materialen zou kunnen omzeilen:een kunstmatig fotosynthese-apparaat genaamd een "hybride foto-elektrochemische en voltaïsche (HPEV) cel" die zonlicht en water verandert in niet slechts één, maar twee soorten energie:waterstof en elektriciteit. Het artikel dat dit werk beschrijft, werd gepubliceerd op 29 oktober in Natuurmaterialen .

Een uitweg vinden voor elektronen

De meeste watersplitsende apparaten zijn gemaakt van een stapel lichtabsorberende materialen. Afhankelijk van de make-up, elke laag absorbeert verschillende delen of "golflengten" van het zonnespectrum, variërend van minder-energetische golflengten van infrarood licht tot meer-energetische golflengten van zichtbaar of ultraviolet licht.

Wanneer elke laag licht absorbeert, bouwt het een elektrische spanning op. Deze individuele spanningen worden gecombineerd tot één spanning die groot genoeg is om water te splitsen in zuurstof en waterstofbrandstof. Maar volgens Gideon Segev, een postdoctoraal onderzoeker bij JCAP in de Chemical Sciences Division van Berkeley Lab en de hoofdauteur van de studie, het probleem met deze configuratie is dat, hoewel siliciumzonnecellen elektriciteit kunnen opwekken die dicht bij hun limiet ligt, hun hoge prestatiepotentieel wordt aangetast wanneer ze deel uitmaken van een watersplitsend apparaat.

De stroom die door het apparaat gaat, wordt beperkt door andere materialen in de stapel die niet zo goed presteren als silicium, en als een resultaat, het systeem produceert veel minder stroom dan het zou kunnen - en hoe minder stroom het genereert, hoe minder zonnebrandstof het kan produceren.

"Het is alsof je altijd met een auto in de eerste versnelling rijdt, "zei Segev. "Dit is energie die je zou kunnen oogsten, maar omdat silicium niet op zijn maximale vermogen werkt, de meeste aangeslagen elektronen in het silicium kunnen nergens heen, zodat ze hun energie verliezen voordat ze worden gebruikt om nuttig werk te doen."

Uit de eerste versnelling komen

Dus Segev en zijn co-auteurs - Jeffrey W. Beeman, een JCAP-onderzoeker in de Chemical Sciences Division van Berkeley Lab, en voormalig Berkeley Lab en JCAP-onderzoekers Jeffery Greenblatt, die nu aan het hoofd staat van het in Bay Area gevestigde technologieadviesbureau Emerging Futures LLC, en Ian Sharp, nu hoogleraar experimentele halfgeleiderfysica aan de Technische Universiteit van München in Duitsland - stelde een verrassend eenvoudige oplossing voor een complex probleem voor.

"Wij dachten, 'Wat als we de elektronen er gewoon uit laten?'", zei Segev.

In watersplitsende apparaten, het vooroppervlak is meestal bestemd voor de productie van zonnebrandstoffen, en het achteroppervlak dient als stopcontact. Om de beperkingen van het conventionele systeem te omzeilen, ze voegden een extra elektrisch contact toe aan het achteroppervlak van de siliciumcomponent, wat resulteert in een HPEV-apparaat met twee contacten aan de achterkant in plaats van slechts één. Door de extra achteruitgang kan de stroom in tweeën worden gesplitst, zodat een deel van de stroom bijdraagt ​​aan de opwekking van zonnebrandstoffen, en de rest kan worden gewonnen als elektrische stroom.

Wanneer wat je ziet is wat je krijgt

Na het uitvoeren van een simulatie om te voorspellen of de HPEC zou functioneren zoals ontworpen, ze maakten een prototype om hun theorie te testen. "En tot onze verbazing het werkte!' zei Segev. 'In de wetenschap, je bent nooit echt zeker of alles gaat werken, zelfs als je computersimulaties zeggen van wel. Maar dat maakt het ook zo leuk. Het was geweldig om te zien dat onze experimenten de voorspellingen van onze simulaties valideren."

Volgens hun berekeningen een conventionele waterstofgenerator op zonne-energie op basis van een combinatie van silicium en bismutvanadaat, een materiaal dat veel wordt bestudeerd voor het splitsen van zonnewater, waterstof zou genereren met een zonne-naar-waterstofrendement van 6,8 procent. Met andere woorden, van alle invallende zonne-energie die het oppervlak van een cel raakt, 6,8 procent wordt opgeslagen in de vorm van waterstofbrandstof, en al de rest is verloren.

In tegenstelling tot, de HPEV-cellen oogsten overgebleven elektronen die niet bijdragen aan de opwekking van brandstof. Deze resterende elektronen worden in plaats daarvan gebruikt om elektrische stroom op te wekken, resulterend in een dramatische toename van de totale efficiëntie van de omzetting van zonne-energie, zei Segev. Bijvoorbeeld, volgens dezelfde berekeningen dezelfde 6,8 procent van de zonne-energie kan worden opgeslagen als waterstofbrandstof in een HPEV-cel gemaakt van bismutvanadaat en silicium, en nog eens 13,4 procent van de zonne-energie kan worden omgezet in elektriciteit. Dit maakt een gecombineerd rendement van 20,2 procent mogelijk, drie keer beter dan conventionele zonne-waterstofcellen.

De onderzoekers zijn van plan hun samenwerking voort te zetten, zodat ze kunnen kijken naar het gebruik van het HPEV-concept voor andere toepassingen, zoals het verminderen van de uitstoot van kooldioxide. "Dit was echt een groepsinspanning waar mensen met veel ervaring een bijdrage aan konden leveren, "voegde Segev eraan toe. "Na anderhalf jaar samenwerken aan een behoorlijk vervelend proces, het was geweldig om te zien dat onze experimenten eindelijk samenkomen."