Новый рекорд эффективности преобразования солнечной энергии в водород (STH) составляет 16,2 процента, что превышает заявленную эффективность в 14 процентов в 2015 году международной командой, состоящей из исследователей из Helmholtz-Zentrum Berlin, TU Ilmenau, Fraunhofer ISE и Калифорнийского технологического института. Статья в Nature Energy под названием «Прямое преобразование солнечной энергии в водород с помощью перевернутых метаморфических многопереходных полупроводниковых архитектур» описывает, как был достигнут новый рекорд NREL.
Авторы — Джеймс Янг, Майлс Штайнер, Райан Франс, Джон Тернер и Тодд Дойч, все из NREL, и Хеннинг Дошер из Филиппского университета в Марбурге в Германии. Дошер связан с NREL.Установившая рекорд ячейка PEC представляет собой существенное отличие от концептуального устройства, разработанного Тернером в NREL в 1990-х годах.
И в старых, и в новых процессах PEC используются стопки светопоглощающих тандемных полупроводников, которые погружены в раствор кислота / вода (электролит), где происходит реакция расщепления воды с образованием газов водорода и кислорода. Но в отличие от оригинального устройства, сделанного из фосфида галлия-индия (GaInP2), выращенного на поверхности арсенида галлия (GaAs), новая ячейка PEC выращивается вверх ногами, сверху вниз, что приводит к так называемой перевернутой метаморфической многопереходной схеме (IMM). устройство.
Это продвижение IMM позволило исследователям NREL заменить арсенид индия-галлия (InGaAs) на обычные слои GaAs, значительно повысив эффективность устройства. Второй ключевой отличительной особенностью новой разработки было нанесение очень тонкого «оконного слоя» из фосфида алюминия-индия (AlInP) на верхнюю часть устройства с последующим нанесением второго тонкого слоя GaInP2. Эти дополнительные слои служат как для устранения дефектов на поверхности, которые в противном случае снижают эффективность, так и для частичной защиты критических нижележащих слоев от коррозионного раствора электролита, который разрушает полупроводниковый материал и ограничивает срок службы элемента PEC.Первоначальный прорыв Тернера создал новый интересный способ эффективного разделения воды с использованием солнечного света в качестве единственного источника энергии для производства возобновляемого водорода.
Другие методы, использующие солнечный свет, влекут за собой дополнительные шаги, ведущие к убыткам. Например: Электроэнергия, вырабатываемая коммерческими солнечными элементами, может быть отправлена через системы преобразования энергии в электролизер для разложения воды на водород и кислород с приблизительной эффективностью STH в 12 процентов.
Прямой метод Тернера установил давно не имеющий себе равных рекорд эффективности STH в 12,4 процента, который был превзойден новой ячейкой PEC NREL.Прежде чем технология PEC станет коммерчески жизнеспособной, стоимость производства водорода должна снизиться до уровня менее 2 долларов за килограмм водорода, установленного Министерством энергетики США. Для достижения этой цели необходимо постоянное улучшение эффективности и срока службы ячеек. Дальнейшее повышение эффективности увеличит скорость производства водорода на единицу площади, что снизит стоимость водорода за счет снижения затрат на баланс системы.
В сочетании с повышением эффективности необходимо значительно увеличить срок службы ячейки текущей конфигурации по сравнению с ее несколькими часами эксплуатации, чтобы значительно снизить затраты. Исследователи NREL активно ищут методы увеличения срока службы устройства PEC в дополнение к дальнейшему повышению эффективности.В то время как альтернативная конфигурация, в которой устройство не погружено в кислотный электролит, а вместо этого подключено к внешнему электролизеру, решила бы проблему долговечности, технико-экономический анализ, проведенный по заказу Министерства энергетики США, показал, что погруженные устройства могут производить водород с меньшими затратами.
Стоимость.