Nowy rodzaj panelu słonecznego, opracowany na Uniwersytecie Michigan (UM), osiągnął 9% wydajności w przekształcaniu wody w wodór i tlen – naśladując kluczowy etap naturalnej fotosyntezy. Jest to duży postęp technologiczny, ponieważ proces ten jest 10 razy bardziej wydajny niż eksperymenty polegające na użyciu innych metod solarnych do rozdzielenia wody na pierwiastki.
Największą korzyścią opracowanej technologii jest obniżenie kosztów pozyskiwania zrównoważonego wodoru. Jest to możliwe dzięki zmniejszeniu półprzewodnika, zazwyczaj najdroższej części urządzenia. Samoregenerujący się półprzewodnik wytrzymuje działanie bardzo skoncentrowanego światła.
Obecnie wodór produkuje się na skalę przemysłową z metanu, zużywając przy tym bardzo dużo energii pochodzącej z paliw kopalnych. Rośliny natomiast pozyskują atomy wodoru z wody, wykorzystując światło słoneczne. Ponieważ ludzkość stara się radykalnie ograniczyć emisję CO2, wodór jest atrakcyjny zarówno jako samodzielne paliwo, jak i składnik zrównoważonych paliw produkowanych z przetworzonego CO2. Wodór jest potrzebny w wielu procesach chemicznych w skali przemysłowej, np. przy produkcji nawozów. – Wierzymy, że urządzenia do sztucznej fotosyntezy będą znacznie wydajniejsze niż naturalna fotosynteza, co poprowadzi na ścieżkę w kierunku neutralności węglowej – powiedział Zetian Mi, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej UM, który kierował badaniem opisanym w „Nature”.
Wybitny wynik to zasługa dwóch osiągnięć. Pierwszym z nich jest możliwość skoncentrowania światła słonecznego bez niszczenia półprzewodnika, który je wykorzystuje. – Zmniejszyliśmy rozmiar półprzewodnika ponad 100 razy w porównaniu z niektórymi półprzewodnikami działającymi tylko przy niskim natężeniu światła – powiedział Peng Zhou, pracownik naukowy UM w dziedzinie inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz pierwszy autor badania. – Wodór wytwarzany za pomocą naszej technologii może być bardzo tani – dodaje.
Drugim osiągnięciem jest wykorzystanie zarówno wyższej energetycznie części widma słonecznego do rozszczepienia wody, jak i niższej części widma do dostarczenia ciepła, które pobudza reakcję. Magia jest możliwa dzięki katalizatorowi półprzewodnikowemu, który poprawia się wraz z użytkowaniem. Opiera się on degradacji, której takie katalizatory zwykle doświadczają, gdy wykorzystują światło słoneczne do napędzania reakcji chemicznych. Oprócz radzenia sobie z dużym natężeniem światła, katalizator może skutecznie działać w wysokich temperaturach, które są szkodliwe dla tego rodzaju półprzewodników. Wyższe temperatury przyspieszają proces rozkładu wody, a dodatkowe ciepło zachęca również wodór i tlen do pozostania rozdzielonymi, zamiast odnawiania wiązań i ponownego tworzenia wody. Oba te elementy pomogły zespołowi zwiększyć ilość otrzymywanego wodoru.
Podczas eksperymentu na większą skalę z wykorzystaniem światła słonecznego, Zhou ustawił soczewkę wielkości okna domu, aby skupić światło na panelu eksperymentalnym o szerokości zaledwie kilku cali. Wewnątrz panelu katalizator półprzewodnikowy był pokryty warstwą wody z wydzielającymi się gazami wodoru i tlenu. Katalizator składa się z nanostruktur azotku indu i galu, hodowanych na krzemowej powierzchni. Działanie światła uwalnia wolne elektrony w katalizatorze półprzewodnikowym. Prosta warstwa izolacyjna na wierzchu panelu utrzymuje temperaturę na poziomie 75 °C – wystarczającą wysoką, aby wspomóc reakcję, a jednocześnie wystarczająco niską, aby katalizator półprzewodnikowy działał dobrze. Wersja eksperymentu przeprowadzona na zewnątrz, z wykorzystaniem światła słonecznego, osiągnęła 6,1% skuteczności w przetwarzaniu energii słonecznej na paliwo wodorowe. W pomieszczeniach system osiągnął wydajność 9%.
Kolejnymi wyzwaniami, z którymi zespół zamierza się zmierzyć, są dalsza poprawa wydajności i osiągnięcie ultrawysokiej czystości wodoru, który można bezpośrednio wprowadzać do ogniw paliwowych. Licencja na część własności intelektualnej związanej z tą pracą została udzielona firmom NS Nanotech Inc. i NX Fuels Inc., których współzałożycielem jest Mi. Uniwersytet Michigan i Mi posiadają udziały w obu firmach. Prace te były wspierane przez National Science Foundation, Departament Obrony, Michigan Translational Research and Commercialization Innovation Hub, Blue Sky Program w College of Engineering na Uniwersytecie Michigan oraz przez Army Research Office.
Opr. M. Grabania
Źródło: Uniwersytet Michigan Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
