19.04.2017
Ученые из департамента Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), США, сумели в ходе исследований доказать правильность принципа работы фотоэлектрохимических клеток, и их способность захватывать избыток энергии фотонов, который обычно теряется в процессе генерации тепла.
Используя квантовые точки (КТ) и процесс, называемый Множественным Экситоном Поколения (МЭГ), исследователи NREL смогли достичь максимума внешней квантовой эффективности для выработки водорода, подняв этот показатель до 114 %.
Такое улучшение могло бы значительно увеличить объемы производства водорода от солнечного света, посредством особых ячеек для расщепления воды. Повышение производительности возможно за счет более высокой эффективности и меньших затрат, чем в настоящие время, с использованием традиционных фото электрохимических подходов.
Подробности данного исследования детально изложены в издании Nature Energy paper Multiple exciton generation, с описанием экситонной природы энергии для фотоэлектрохимических реакций выделения водорода с квантовым выходом, превышающим 100%. Исследование проводилось группой ведущих ученых, включающей Мэтью Бирда, Юн Яна, Райана Криспа, Джинга Га, Бориса Черномора, Грегори Пача, Эшли Маршалла и Джона Тернера. Все они – сотрудники NREL.
Ранее, в 2011 году Мэтью Бирд и другие ученые из NREL опубликовали статью, которая впервые разъяснила, как именно МЭГ позволит солнечному элементу превысить 100 процентов его квантовой эффективности, производя большее количество электронов в электрическом токе, чем то количество фотонов, которое попадает непосредственно в солнечные батареи.
«Основное отличие двух работ в том, что нам удалось повысить эффективность МЭГ в его химической связи, а не только в электрическом токе. Мы показали, что тот же самый процесс, который производит дополнительный ток в солнечной батарее, также может быть применен для получения дополнительных химических реакций, или для создания запасного объема энергии в химических связях» сказала Бирд.
Солнечные модули сегодня имеют ограниченную теоретическую эффективность, степень ограниченности зависит от того, насколько полноценно энергия фотона может быть преобразована в полезную электрическую энергию. Часть энергии все равно теряется с энергией фотонов, фактически она переходит в тепло.
Процесс МЭГ имеет преимущество, в виде дополнительной энергии фотонов, помогающей генерировать больше электронов. За счет этого, вместо генерации тепла образуется дополнительный химический и электрический потенциал.
В настоящем докладе множественные электроны или носители заряда, которые создаются посредством процесса МЭГ, захватываются и хранятся в химических связях, в молекулах Н2.
Исследователи NREL разработали систему ячеек, с основой из сульфида свинца (PbS) QD фотоанода. Фотоанод включает в себя слой PbS квантовых точек, нанесенных на верхнюю часть диоксида титана. Химическая реакция, движимая дополнительными электронами, дает шансы новому направлению, в рамках которого солнечные элементы смогут достичь максимума своей эффективности.