Een krachtige nieuwe zonnecel produceert zowel waterstofbrandstof als elektrisch vermogen

In een veld dat in wezen waterbuigend is en duurzame energie ontmoet, hebben onderzoekers met succes gebruik gemaakt van fotosynthese om water te splitsen om waterstofbrandstof te produceren. Het splitsen van H2O op moleculair niveau is iets wat wetenschappers al meer dan 200 jaar doen, en zou de verleidelijke sleutel kunnen zijn tot een emissie-vrije waterstofeconomie - als het maar opgeschaald zou kunnen worden.

Gelukkig hebben we vooruitgang geboekt bij het terugdringen van de kosten, en onderzoekers hebben ook de kunst van kunstmatige fotosynthese bijna onder de knie gekregen, maar een lage efficiëntie voorkomt dat het proces groot wordt, althans tot nu toe.

Dat is volgens een nieuwe krant die maandag is vrijgegeven Natuurmaterialen door het Lawrence Berkeley National Laboratory, dat een eenvoudige, elegante hybride oplossing presenteert die het huidige knelpunt voor foto-elektrochemische cellen omzeilt.

"Het is een gratis lunch", vertelt hoofdonderzoeker Gideon Segev omgekeerde.

Gerelateerde video

Foto-elektrochemische cellen zijn water- en lichtbuigingen van de wetenschap

Foto-elektrochemische cellen zijn meestal een stapel verschillende materialen die licht absorberen. Elke laag absorbeert een andere golflengte en bouwt elektrische spanningen op die culmineren in een spanning die sterk genoeg is om water te splitsen in zuurstof en waterstofbrandstof.

Dit klinkt natuurlijk als een goed gebruik van zonlicht. Maar zelfs wanneer de siliciumzonnecellen goed werken, ontstaan ​​er problemen wanneer andere materialen in de stapel niet kunnen presteren, waardoor de energie verloren gaat.

"Je hebt twee materialen nodig, idealiter silicium en daarboven nog een ander materiaal dat het energiekere deel van het materiaal zou absorberen," zegt Segev. "De bottleneck in het systeem is en zal altijd het andere materiaal zijn, dus onderzoek is vooral gericht op het verbeteren van het andere materiaal."

Hoe elektronen een elegante oplossing presenteren

Met zoveel onderzoek gericht op dat 'andere materiaal', besloten Segev en zijn team een ​​stapje terug te doen, kijkend naar hoe ze het hele systeem konden verbeteren. En ze beseften dat er een hele andere energiebron wacht om te worden afgeluisterd: elektronen.

"Je hebt dit halfgeleidermateriaal en het absorbeert licht. Licht kan worden gezien als een deeltje. Dus wanneer een foton wordt geabsorbeerd, geeft het zijn energie aan het elektron, in opgewonden toestand, "legt Segev uit. "Je kunt zeggen dat het elektron een bepaalde tijd heeft voordat het zijn energie verliest, de energie die de fotonen het gaven.

Eerder onderzoek liet eenvoudig toe dat de cellen opwarmden en de energie verdrijven. Het team van Segev gaf de energie van het elektron letterlijk een uitlaatklep. Hoewel de meeste water-splitsende apparaten meestal twee kanten hebben, een om zonnebrandstoffen te produceren en de andere om de stroom vrij te geven, heeft dit nieuwe prototype twee uitlaten achterin, een voor de productie van zonnebrandstof en een voor elektrisch vermogen. Twee soorten energie, één cel.

Het prototype - dat in de loop van een jaar 19 razernijverige iteraties heeft gekost om te creëren - heeft een dramatisch potentieel voor de efficiëntie van zonne-energie tot waterstofbrandstof vanaf het huidige tempo, 6,8 procent. Met de ideale materialen berekende de groep een potentiële toename tot 20,2 procent, waardoor de snelheid van conventionele zonnewarmtecellen verdrievoudigde.

Plots lijken zonne-waterstof tankstations van de toekomst niet hopeloos, hoewel er nog meer onderzoek nodig is voordat we een waterstof-aangedreven utopie kunnen bewerkstelligen.

"Als het efficiënt zou werken en kostenconcurrerend zou zijn, kunnen we misschien gaan praten over tankstations voor commercieel of waterstofgebruik die door de zon worden aangedreven", zegt Segev. "Maar ik denk dat dit allemaal erg voorbarig is in deze fase, dus we zijn niet op een punt waar we kunnen praten over het maken van dit een technologie die mensen morgen in hun leven zouden zien."

Maar Segev, we kunnen dromen.

Correctie: een eerdere versie van het verhaal heeft ten onrechte afgedrukt dat het prototype een drievoudige efficiëntie behaalde, terwijl dit een berekening blijft. Het verhaal is bijgewerkt met extra commentaar van de auteur van het onderzoek.