Vätgas kommer att spela en central roll som lagringsmedium i hållbara energisystem. Ett internationellt team av forskare har nu lyckats höja effektiviteten i att producera vätgas från direkt solvattenklyvning till rekordhöga 19 procent. De gjorde det genom att kombinera en tandemsolcell av III-V-halvledare med en katalysator av rodiumnanopartiklar och en kristallin titandioxidbeläggning. Team från California Institute of Technology, University of Cambridge, Technische Universität Ilmenau, och Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE deltog i utvecklingsarbetet. En del av experimenten ägde rum vid Institutet för solbränslen i Helmholtz-Zentrum Berlin.

Solceller är en stöttepelare i försörjningssystem för förnybar energi, och solljus är rikligt tillgängligt över hela världen – men inte dygnet runt. En lösning för att hantera denna fluktuerande kraftgenerering är att lagra solljus i form av kemisk energi, specifikt genom att använda solljus för att producera väte. Detta beror på att väte kan lagras enkelt och säkert, och används på många sätt – oavsett om det är i en bränslecell för att direkt generera el och värme, eller som råmaterial för tillverkning av brännbara bränslen. Om du kombinerar solceller med katalysatorer och ytterligare funktionella lager för att bilda en "monolitisk fotoelektrode" som ett enda block, då blir det extra enkelt att klyva vatten:fotokatoden är nedsänkt i ett vattenhaltigt medium och när ljus faller på den, väte bildas på framsidan och syre på baksidan.

Transparent rostskyddsskikt

För den monolitiska fotokatoden som undersöks här, forskarteamen kombinerade ytterligare funktionella lager med en mycket effektiv tandemcell gjord av III-V-halvledare utvecklad vid Fraunhofer ISE. Detta gjorde det möjligt för dem att minska cellens ytreflektivitet, därigenom undviker man avsevärda förluster orsakade av parasitisk ljusabsorption och reflektion. "Det är också här innovationen ligger", förklarar Prof. Hans-Joachim Lewerenz, Caltech, USA:"Eftersom vi redan hade uppnått en effektivitet på över 14 procent för en tidigare cell 2015, vilket var världsrekord på den tiden. Här har vi ersatt det korrosionsskyddande toppskiktet med ett kristallint titandioxidskikt som inte bara har utmärkta antireflexegenskaper, men till vilken katalysatorpartiklarna också fäster." Och prof. Harry Atwater, Caltech, tillägger:"Dessutom vi har också använt en ny elektrokemisk process för att producera rodiumnanopartiklarna som tjänar till att katalysera vattenspjälkningsreaktionen. Dessa partiklar är bara tio nanometer i diameter och är därför optiskt nästan transparenta, vilket gör dem idealiska för jobbet."

Under simulerad solstrålning, forskarna uppnådde en effektivitet på 19,3 procent i utspädd vattenhaltig perklorsyra, samtidigt som den når 18,5 procent i en elektrolyt med neutralt pH. Dessa siffror närmar sig den teoretiska maximala effektiviteten på 23 procent som kan uppnås med de inneboende elektroniska egenskaperna för denna kombination av skikt.

"Det kristallina titandioxidskiktet skyddar inte bara själva solcellen från korrosion, men förbättrar också laddningstransporten tack vare dess fördelaktiga elektroniska egenskaper", säger Dr Matthias May, som genomförde en del av effektivitetsbestämningsexperimenten vid HZB Institute for Solar Fuels i föregångarlaboratoriet till Solar-Fuel Testing Facility of the Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF). Den nu publicerade rekordsiffran bygger på ett arbete som May redan påbörjat som doktorand vid HZB och för vilket han tilldelades Helmholtzförbundets doktorandpris för området energiforskning 2016. "Vi kunde öka livslängden till nästan 100 timmar. Detta är ett stort framsteg jämfört med tidigare system som redan hade korroderat efter 40 timmar. Ändå, det finns fortfarande mycket kvar att göra", May förklarar.

Det beror på att det fortfarande är grundforskning om små, dyra system i laboratoriet. Dock, forskarna är optimistiska:"Detta arbete visar att skräddarsydda tandemceller för direkt soluppdelning av vatten har potential att uppnå verkningsgrader över 20 procent. Ett tillvägagångssätt för detta är att välja ännu bättre bandgap-energier för de två absorbatormaterialen i tandemcellen. Och en av de två kan till och med vara kisel ", förklarar prof. Thomas Hannappel, TU Ilmenau. Team på Fraunhofer ISE och TU Ilmenau arbetar med att designa celler som kombinerar III-V-halvledare med billigare kisel, vilket kan minska kostnaderna avsevärt."