07.05.2020

Ученые создали дешевый электролизер на солнечных батареях

Американские и китайские ученые разработали первый солнечный электролизер - устройство для получения водорода из воды с помощью солнечной энергии - из дешевых материалов.

uaEnergy

45

0

Ученые создали дешевый электролизер на солнечных батареях

Согласно результатам исследования, опубликованным в журнале ACS Nano, химики под руководством Цзюнь Лоу (Jun Lou) из Университета Райса использовали солнечный элемент сделан из свинцово-галогенидных перовскита CH3NH3PbI3, а катализатор для электролиза воды - с наностержнями оксида кобальта.

«Обычно такие устройства изготавливают из кремниевых солнечных элементов, а в качестве катализаторов используют металлы платиновой группы - платину, иридий и рутений - и их соединения, - объясняют ученые. - Все эти материалы достаточно дорогие, что затрудняет дальнейшее масштабирование солнечно-водородных систем».

Перовскит выбрали еще и потому, что такие элементы демонстрируют более высокие значения напряжения холостого хода, чем кремниевые, а в случае электролиза воды это преимущество очень важна, отмечают специалисты. «Наностержней оксида кобальта - это материал с большим удельным площадью поверхности, который наносят на электроды для улучшения эффективности электролиза, - отмечают химики. - Наностержни синтезировали гидротермальным методом из раствора нитрата кобальта и мочевины, а затем дополнительно допирували фосфором: для этого их нагрели в печи вместе с фосфат натрия при 300 градусах Цельсия: добавка фосфора улучшает электрокаталитическую активность стержней, позволяя проводить электролиз при более низких значениях потенциала ».

Авторы намеренно отказались от использования дорогих и редких материалов везде, где это было возможно. Например, в перовскитным солнечном элементе они заменили золотой катод на катод из угля, а также отказались от полимерного слоя между активным слоем и катодом. Этот слой изготавливают из полимера, который пропускает только дыры, но не пропускает электроны. Синтез подобных полимеров очень сложный, поэтому отказ от них делает устройство значительно дешевле.

Один из главных недостатков солнечных элементов - прерывистый характер работы, объясняют специалисты. «Поскольку мощность, выдаваемая солнечной электростанцией, зависит от сезона, времени суток и погоды, для эффективного использования солнечного излучения нужно научиться запасать энергию в светлое время суток, чтобы потом использовать ее, например, ночью, - говорят специалисты. - Мы решили проблему сочетанием двух технологий: фотовольтаики и электрокаталитическая получения водорода: в таком устройстве электроэнергия, сгенерированный солнечной панелью, сразу же используется для выделения водорода из воды путем электролиза». Далее водород можно использовать для получения электричества в темное время суток, а также хранить и перевозить.

Энергия в таком устройстве превращается дважды: сначала энергия падающих фотонов переходит в электрическую энергию, а затем - в энергию химических связей молекулы водорода. Потери происходят на обоих этапах, поэтому эффективность таких устройств пока не очень высока: лучшие показывают эффективность в 16-19%.

Кроме того, авторы впервые поместили перовскитным солнечный элемент непосредственно в раствор электролита. Это позволило снизить омические потери и добиться лучшей эффективности устройства. Вода для перовскитным солнечных элементов опасен - даже небольшое ее количество приводит к необратимой деградации таких устройств». Поэтому солнечный элемент нужно было надежно инкапсулировать - здесь авторы тоже не отступили от своих принципов и использовали коммерчески доступную упаковочную пленку Surlyn. Их эксперименты показали, что, нагревая пленку до 150 градусов Цельсия в течение нескольких секунд, можно получить полностью герметичное покрытие, которое надежно защищает солнечный элемент от влаги.

Эффективность преобразования солнечного излучения в электроэнергию составила 10,6%, а суммарная эффективность электролизера - 6,7%. «Это пока меньше, чем в лучших электролизеров на кремнии и металлах платиновой группы, - отмечают разработчики. -В будущем электролизер можно будет улучшить, используя другой состав перовскитным материала или экспериментируя с составлением катализатора».

Комментарии 0

Написать комментарий