Перовскиты помогут дешево и эффективно получить водород из воды

Австралийские материаловеды научились эффективно получать водород из воды без использования дорогостоящих полупроводниковых материалов. Они использовали фотокатод из текстурированного кремния и соединили его с широкозонным перовскитным солнечным элементом, расположив солнечные элементы друг под другом. Эффективность преобразования солнечной энергии в водород составила 17,6 процентов. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Energy Materials.

Использование солнечной энергии для получения водорода из воды — технология, которая в перспективе позволит решить две проблемы одновременно: запасание нестабильной солнечной энергии впрок и получение экологически чистого топлива с высокой плотностью энергии. Для выхода на рынок такие преобразователи должны показывать эффективность не менее 20 процентов, при стоимости водорода не выше 4 долларов за килограмм.
Использовать солнечную энергию для получения водорода можно несколькими способами. В фотовольтаических преобразователях солнечный элемент соединен с ячейкой для электролиза, и солнечный свет преобразуется в электроэнергию, которая расходуется на электролиз водных растворов с образованием водорода и кислорода на электрокатализаторах. В фотоэлектрохимических преобразователях один или оба электрода состоят из полупроводниковых материалов. При облучении светом в полупроводнике образуются электроны и дырки, которые напрямую участвуют в реакциях образования водорода и кислорода. Считается, что фотоэлектрохимические преобразователи в перспективе будут дешевле (в них используются более дешевые катализаторы), но есть у таких устройств и серьезный недостаток. Дело в том, что лучше всего для получения водорода подходят полупроводники с шириной запрещенной зоны около 2 электрон-вольт. Однако, такой полупроводник поглощает только самую коротковолновую (высокоэнергетическую) часть солнечного излучения, поэтому общая эффективность устройств априори будет невысока. Для преодоления этой проблемы можно соединить фотоэлектрод с солнечным элементом — то есть по сути объединить фотовольтаический и фотоэлектрохимический преобразователь в одном устройстве. В этом случае солнечный элемент обеспечивает ток и напряжение смещения, и эффективность преобразования возрастает. Ученым удалось получить тандемный фотоэлектрохимический преобразователь на основе арсенида галлия с эфективностью 19 процентов. Но из-за высокой стоимости арсенида галлия такие преобразователи не подходят для промышленного использования.

Материаловеды под руководством Шивы Кришны Карутури (Siva Krishna Karuturi) и Хепина Шэня (Heping Shen) из Австралийского Национального Университета разработали тандемный фотоэлектрохимический преобразователь без использования арсенида галлия и других дорогостоящих полупроводников. Фотокатод они сделали из кремния n-типа с поверхностью, текстурированной в виде пирамид — это улучшает поглощение света и увеличивает площадь соприкосновения с раствором электролита. На сторону электрода, которая была погружена в раствор, нанесли тонкий слой платинового катализатора, а на противоположную сторону, которая поглощала солнечный свет — противоотражательное покрытие из нитрида кремния и металлические контакты. Когда такой кремниевый фотокатод поглощает солнечное излучение, в его зоне проводимости генерируются электроны, которые затем реагируют с катионами Н⁺, восстанавливая их до молекулярного водорода.

Кремниевый фотокатод был соединен с солнечным элементом на основе недорогого и простого в получении перовскитного полупроводника. Элементы были расположены в виде тандема (друг под другом) — сначала солнечный луч проходит сквозь полупрозрачный перовскитный солнечный элемент с большей шириной запрещенной зоны, а затем через кремниевый. Перовскит поглощает фотоны с высокой энергией и пропускает фотоны с низкой энергией, которые потом поглощаются в кремниевом полупроводнике. Тандемная конфигурация позволяет максимально использовать освещаемую солнцем площадь — это важно для промышленного применения солнечных модулей. Конструкция таких солнечных элементов требует соблюдения дополнительных условий: в частности, надо правильно подобрать толщину и значение запрещенной зоны перовскита, чтобы кремниевый элемент получил достаточно излучения и на нем образовалось достаточно электронов и дырок. Если бы авторы не соблюдали это условие и расположили перовскитный и кремниевый элементы рядом, им было бы проще добиться высокой эффективности, но при промышленном использовании такая ячейка заняла бы вдвое больше освещаемого солнцем места, то есть фактически ее эффективность надо было бы разделить на два.Для того, чтобы добиться оптимальной эффективности, авторы испробовали несколько перовскитных материалов разного состава и с разными значениями запрещенной зоны и остановились на широкозонном смешанном перовските Cs

Rb

FA

MA

PbI

Br

Благодаря большой величине запрещенной зоны перовскита (1,75 электрон-вольт), на расположенный под ним кремниевый солнечный элемент попадало больше фотонов, и фототок на нем был на 29 процентов выше, чем в случае стандартного перовскита с запрещенной зоной около 1,4 электрон-вольт.

Общая эффективность преобразования солнечной энергии в энергию водородного топлива составила 17,6 процента, устройства выдерживали трое суток непрерывного облучения солнцем. Такие показатели — большой шаг вперед для перовскитных фотоэлектрохимических преобразователей: ранее такие устройства не демонстрировали эффективность выше 10 процентов.

 В дальнейшем авторы работы собираются заменить платиновый катализатор на более дешевый аналог. Теоретическое моделирование, которое они провели, показывает, что фотоэлектрохимический преобразователь может достичь эффективности в 20 процентов даже без платинового катализатора. Для этого нужно повысить фактор заполнения перовскитного солнечного элемента — параметр, который характеризует качество солнечного элемента, в частности вклад омических потерь — с 67 до 80 процентов. Стандартные (неширокозонные) перовскитные солнечные элементы с таким фактором заполнения уже удавалось получить нескольким коллективам ученых, поэтому можно ожидать, что и для широкозонных перовскитов это значение скоро будет достигнуто.

Два месяца назад американские и китайские химики разработали прототип электролизера, который вообще не содержит дорогих материалов. Авторы отказались не только от катализатора из металлов платиновой группы (вместо них использовали наностержни оксида кобальта), но и от полимерных транспортных слоев в перовскитном солнечном элементе, а для инкапсуляции использовали коммерческую упаковочную пленку. Правда эффективность такого устройства была невысокой — 6,7 процентов.

Наталия Самойлова