Для хранения энергии применили ржавчину и воду
Как сохранить солнечную энергию так, чтобы она была доступна в любое время, днем и ночью, когда сверкает солнце или когда темно?
Ученые разработали технологию, способную преобразовать энергию света в чистое топливо — водород. Основные компоненты рецепта — вода и оксиды металлов, такие как оксид железа, более известный как ржавчина. Кевин Сивула и коллегами целенаправленно ограничились недорогими материалами и легкомасштабируемыми процессами производства, чтобы создать экономически выгодный метод производства водорода. Экспериментальное устройство описано в издании Nature Photonics.
Идея преобразования солнечной энергии в водород не нова: исследователи работают над этим свыше четырех десятилетий. В течение 1990-х в борьбу включились исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны. Михаэль Гретцель с коллегами из университета Женевы изобрел фотоэлектрохимическую тандемную солнечную батарею — технологию для выработки водорода из воды. Опытные образцы разделяли знакомый принцип: ячейка Гретцеля сочеталась с основанным на оксиде полупроводником.
Устройство является полностью автономным. Производимые электроны используются для разбиения молекул воды и преобразования частей в кислород и водород. В той же жидкости два различных слоя устройства генерируют электроны под воздействием света — это оксидный полупроводник, выполняющий реакцию выделения кислорода, и ячейка Гретцеля, высвобождающая водород.
Драгоценное стекло
Последний опытный образец ученых сосредоточился на решении основной проблемы — стоимости технологии.«Американской группе удалось достичь внушительной эффективности — 12,4%», сказал Сивула. „Система весьма любопытна с теоретической точки зрения, однако даже производство всего 10 квадратных сантиметров обошлось бы в 10000 долларов“.
Так ученые решили ограничиться с самого начала, используя только исключительно подходящие материалы и методы. Это не было легкой задачей, но они справились. „Самый дорогой материал в нашем устройстве — стеклянная пластина“, пояснил Сивула. Эффективность все еще низка — между 1,4% и 3,6%, в зависимости от используемого опытного образца. Однако технология имеет значительный потенциал. „С нашей менее дорогой концепцией, основанной на оксиде железа или ржавчине, мы надеемся суметь достичь десятипроцентной эффективности через несколько лет, со стоимостью менее восьмидесяти долларов за квадратный метр. С такой стоимостью технология станет конкурентоспособной текущим методам производства водорода“.
Полупроводник, выполняющий реакцию выделения кислорода, представляет собой обычный оксид железа. „Это стабильный и доступный материал, но один из худших доступных полупроводников“, признает Сивула.
Усиленная кремнием наноржавчина
Именно по указанной выше причине оксид железа немного отличается от того, что мы можем увидеть на ржавом гвозде. Наноструктурированный, усиленный оксидом кремния, покрытый тонким слоем оксида алюминия и оксида кобальта — эти обработки оптимизируют электрохимические свойства материала и просты в применении.
Вторая часть устройства состоит из краски и дикосида титана — основных составляющих ячейки Гретцеля. Второй слой делает передачу электронов достаточно энергетически выгодной для выделения водорода из воды.
Выдающийся потенциал — до 16%
Результаты исследования представляют прорыв в эффективности, которая становится доступной благодаря последним усовершенствованиям в исследовании оксида железа и ячейки Гретцеля, и обе технологии быстро совершенствуются. Сивула прогнозирует, что технология тандемной батареи, в конечном счете, достигнет эффективности 16%, а низкая стоимость сделает метод особенно привлекательным. Позволяя недорогое хранение солнечной энергии, система может значительно увеличить потенциал солнечной энергии для использования в качестве источника возобновимой энергии будущего.