I jakten på överflöd, förnybara alternativ till fossila bränslen, forskare har försökt att skörda solens energi genom "vattenspjälkning, " en artificiell fotosyntesteknik som använder solljus för att generera vätebränsle från vatten. Men vattendelande enheter har ännu inte levat upp till sin potential eftersom det fortfarande inte finns en design för material med rätt blandning av optisk, elektronisk, och kemiska egenskaper som behövs för att de ska fungera effektivt.

Nu forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), en DOE Energy Innovation Hub, har kommit på ett nytt recept på förnybara bränslen som kan kringgå begränsningarna i nuvarande material:en artificiell fotosyntesanordning som kallas en "hybrid fotoelektrokemisk och voltaisk (HPEV) cell" som förvandlar solljus och vatten till inte bara en, men två typer av energi — vätebränsle och elektricitet. Tidningen som beskriver detta arbete publicerades den 29 oktober i Naturmaterial .

Att hitta en väg ut för elektroner

De flesta vattenklyvningsanordningar är gjorda av en stapel av ljusabsorberande material. Beroende på smink, varje lager absorberar olika delar eller "våglängder" av solspektrumet, allt från mindre energetiska våglängder av infrarött ljus till mer energiska våglängder av synligt eller ultraviolett ljus.

När varje lager absorberar ljus bygger det upp en elektrisk spänning. Dessa individuella spänningar kombineras till en spänning som är tillräckligt stor för att dela vatten till syre och vätebränsle. Men enligt Gideon Segev, en postdoktor vid JCAP i Berkeley Labs Chemical Sciences Division och studiens huvudförfattare, problemet med den här konfigurationen är att även om kiselsolceller kan generera elektricitet mycket nära sin gräns, deras högpresterande potential äventyras när de ingår i en vattenklyvningsanordning.

Strömmen som passerar genom enheten begränsas av andra material i stapeln som inte fungerar lika bra som kisel, och som resultat, systemet producerar mycket mindre ström än det skulle kunna – och ju mindre ström det genererar, desto mindre solbränsle kan den producera.

"Det är som att alltid köra en bil på första växeln, " sa Segev. "Det här är energi som du kan skörda, men eftersom kisel inte verkar vid sin maximala effektpunkt, de flesta av de exciterade elektronerna i kislet har ingenstans att ta vägen, så de förlorar sin energi innan de används för att göra nyttigt arbete."

Går ur första växeln

Så Segev och hans medförfattare—Jeffrey W. Beeman, en JCAP-forskare vid Berkeley Labs Chemical Sciences Division, och tidigare Berkeley Lab och JCAP forskare Jeffery Greenblatt, som nu leder det Bay Area-baserade teknikkonsultföretaget Emerging Futures LLC, och Ian Sharp, nu en professor i experimentell halvledarfysik vid tekniska universitetet i München i Tyskland – föreslog en förvånansvärt enkel lösning på ett komplext problem.

"Vi trodde, "Tänk om vi bara släpper ut elektronerna?" sa Segev.

I vattenklyvningsanordningar, den främre ytan är vanligtvis dedikerad till produktion av solbränsle, och baksidan fungerar som ett eluttag. För att kringgå det konventionella systemets begränsningar, de lade till en extra elektrisk kontakt till kiselkomponentens baksida, vilket resulterar i en HPEV-enhet med två kontakter på baksidan istället för bara en. Det extra bakuttaget skulle göra det möjligt att dela strömmen i två, så att en del av strömmen bidrar till solbränslegenerering, och resten kan utvinnas som elektrisk kraft.

När det du ser är vad du får

Efter att ha kört en simulering för att förutsäga om HPEC skulle fungera som designat, de gjorde en prototyp för att testa sin teori. "Och till vår förvåning, det fungerade!", sa Segev. "Inom vetenskapen, du är aldrig riktigt säker på om allt kommer att fungera även om dina datorsimuleringar säger att de kommer att göra det. Men det är också det som gör det roligt. Det var fantastiskt att se våra experiment validera våra simuleringars förutsägelser."

Enligt deras beräkningar, en konventionell solenergigenerator baserad på en kombination av kisel och vismutvanadat, ett material som är allmänt studerat för solvattenklyvning, skulle generera väte vid en sol- till väteeffektivitet på 6,8 procent. Med andra ord, av all infallande solenergi som träffar ytan på en cell, 6,8 procent kommer att lagras i form av vätgas, och allt annat är förlorat.

I kontrast, HPEV-cellerna skördar överblivna elektroner som inte bidrar till bränslegenerering. Dessa restelektroner används istället för att generera elektrisk kraft, vilket resulterar i en dramatisk ökning av den totala omvandlingseffektiviteten för solenergi, sa Segev. Till exempel, enligt samma beräkningar, samma 6,8 procent av solenergin kan lagras som vätebränsle i en HPEV-cell gjord av vismutvanadat och kisel, och ytterligare 13,4 procent av solenergin kan omvandlas till el. Detta möjliggör en sammanlagd effektivitet på 20,2 procent, tre gånger bättre än konventionella solväteceller.

Forskarna planerar att fortsätta sitt samarbete så att de kan överväga att använda HPEV-konceptet för andra tillämpningar som att minska koldioxidutsläppen. "Detta var verkligen en gruppinsats där människor med mycket erfarenhet kunde bidra, ", tillade Segev. "Efter ett och ett halvt års arbete tillsammans på en ganska tråkig process, det var fantastiskt att se att våra experiment äntligen träffades."