Химики подняли эффективность фотоэлектрохимических ячеек выше десяти процентов

Нидерландские химики разработали фотоэлектрохимическую ячейку, которая позволяет преобразовывать солнечную энергию в химическую и запасать ее в виде водородного топлива. Эффективность работы такого элемента составляет 10,8 процента, что в полтора раза выше, чем в предыдущих аналогичных устройствах на основе кремния, пишут ученые в Nature Energy.

Преобразование одного типа энергии в другой обычно используется для создания источников тока или разработки способов хранения энергии. Например, на преобразовании химической энергии в электрическую основана работа химических источников тока — батареек, аккумуляторов и топливных элементов; а солнечные элементы преобразуют энергию падающего солнечного света в электрическую за счет электронных переходов в полупроводниках. Существуют и смешанный тип фотоэлектрохимических ячеек, которые сначала солнечную энергию преобразуют в электрическую, а затем используют электрическую энергию для проведения химических реакций. С помощью таких элементов можно преобразовать солнечную энергию в химическую и хранить ее в виде химического топлива, например водорода.

Нидерландские ученые под руководством Хана Гарденьерса (Han Gardeniers) из Университета Твенте разработали новую конфигурацию фотоэлектрохимического элемента, который позволяет повысить эффективность использования солнечной энергии для каталитического получения водорода. В предыдущих конфигурациях подобных устройств в качестве катализаторов использовались молибден и никель, которые ровным слоем наносились на поверхность фотокатода. Однако для эффективного катализа толщину металлической пленки приходилось делать достаточно большой, что приводило к отражению части падающего света или поглощению на катализаторе, не давало ему дойти до поверхности кремния и снижало, таким образом, эффективность фотоэлемента.

Чтобы избавиться от этих недостатков и повысить эффективность фотоэлектрохимических ячеек, ученые предложили разделить области поглощения солнечного света и химической реакции под действием катализатора. Для этого авторы работы решили использовать конфигурацию ячейки, в которой кремниевый фотокатод представляет из себя массив из вертикальных микростержней высотой около 50 микрон, а катализатор для реакции получения водорода из тех же никеля и молибдена нанесен только на небольшую область вблизи кончика каждого из микростержней.

Чтобы получить такое устройство, химики частично покрывали микростержни пассивирующим слоем оксида кремния, что приводило к повышению эффективности фотоэлектронной части устройства. После этого на незащищенную часть стержня с помощью электроосаждения наносился слой катализатора.

Управлять эффективностью преобразования солнечной энергии и получения водорода в таком устройстве можно, изменяя площадь микростерженей, покрытую катализатором, и расстояние между соседними микростержнями. Оказалось, что максимальной эффективности можно добиться при расстоянии между стержнями около 12 микрон, если катализатором покрыт только самый его кончик (длина покрытой области — около 1 микрона). В этом случае эффективность преобразования солнечной энергии составила около 10,8 процента.

Авторы работы отмечают, что эффективность в 10,8 процента — максимальная величина, которой удалось добиться в устройствах на основе кремния, а в предыдущих устройствах она не превосходила 7,1 процента. Однако чтобы такая технология стала экономически оправданной, эффективность нужно поднять хотя бы до 15 процентов.

Стоит отметить, что реакции с использованием катализаторов — не единственный способ получения водорода с использованием солнечной энергии. Альтернативным вариантом может служить реакция электролиза воды, в которой источником тока является солнечная батарея. Например, недавно химики разработали автономную плавучую фотоэлектрохимическую ячейку, которая таким образом получает водород из соленой воды и не требует для этого дополнительных источников тока.

Александр Дубов