Фотоэлектрохимические панели - новый способ производства водорода

Используя мощную комбинацию микроаналитических техник, которые позволяют одновременно визуализировать фотоэлектрический ток и уровни химических реакций по всей поверхности на микроуровне, исследователи из Национального Института Стандартов и Технологий (National Institute of Standards and Technology (NIST)) пролили свет на то, что может стать эффективным методом генерирования водорода напрямую из воды и солнечного света.

Новая технология фотоэлектрохимических батарей (photoelectrochemical (PEC) cell) дешевая, эффективная и более естественная, так как позволяет производить водород вместо электрического тока. «Одна из главных проблем в солнечной энергетике – непостоянство солнечного света», говорит Daniel Esposito, инженер химии из NIST. «Энергия требуется постоянно, но Солнце светит не всегда, поэтому есть необходимость в конвертации солнечной энергии в такую форму, в которой ее можно использовать, когда Солнца нет. Для крупномасштабных хранилищ или транспортировки, водород имеет ряд преимуществ».

Панели PEC содержат полупроводниковый фотоэлектрод. Он поглощает фотоны и конвертирует их в электроны, которые используются для протекания химических реакций, разделяющих молекулы воды в водород и кислород. Но не все так просто. Лучшие PEC панели показывают уровень эффективности не более 12,5%, говорит Esposito. «Вполне ожидаемо, что такие панели будут стоить очень дорого, тысячи долларов за квадратный метр, а также иметь проблемы со стабильностью». Одна из проблем заключается в том, что полупроводники весьма чувствительны к коррозии из-за электролита на основе воды. Эффективные электроды для PEC долгое время были недостижимой целью.

Команда ученых из NIST предложила решение – устройство на основе кремния с металлодиэлектрическим проводником (metal-insulator-semiconductor (MIS)). Идея заключается в том, чтобы поместить очень тонкий, но очень равномерный слой диоксида кремния (диэлектрика) на поверхность полупроводника (кремния), что очень хорошо подходит для процесса сбора фотонов. На поверхности этих слоев массив «горошин» тонких электродов, состоящих из покрытого платиной титана. Стабильный слой оксида защищает полупроводник от электролита, в тоже время он достаточно тонкий и прозрачный для прохождения фотонов к полупроводнику. Образовавшиеся электроны перемещаются к электродам, где платина катализирует реакцию производства водорода.

Испытания нового устройства показывают эффективность в 2,9%, а также высокую стабильность работы. И хотя этот показатель эффективности ниже дорогостоящих аналогов, ученые обращают внимание на то, что их дизайн в 15 раз лучше подобных MIS-устройств на основе кремния. Также новые данные микроанализа системы говорят о том, что есть несколько потенциальных путей для совершенствования устройства.