Eine leistungsstarke neue Solarzelle produziert sowohl Wasserstoff als auch elektrische Energie

In einem Bereich, in dem es im Wesentlichen um Wasser biegt und auf erneuerbare Energien trifft, nutzten die Forscher erfolgreich die Photosynthese, um Wasser zu spalten, um Wasserstoff als Brennstoff herzustellen. Die Aufspaltung von H2O auf molekularer Ebene ist seit über 200 Jahren von Wissenschaftlern getan worden und könnte den verlockenden Schlüssel für eine emissionsfreie Wasserstoffökonomie enthalten - wenn sie nur vergrößert werden könnte.

Glücklicherweise haben wir Fortschritte bei der Senkung der Kosten gemacht, und die Forscher haben die Kunst der künstlichen Photosynthese bereits in den Griff bekommen, aber die geringe Effizienz lässt den Prozess zumindest bis jetzt nicht träumen.

Laut einer neuen Zeitung, die am Montag in veröffentlicht wurde Naturmaterialien Das Lawrence Berkeley National Laboratory bietet eine einfache und elegante Hybridlösung, die den derzeitigen Engpass für photoelektrochemische Zellen umgeht.

"Es ist ein kostenloses Mittagessen", erzählt der leitende Forscher Gideon Segev Inverse.

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Photoelektrochemische Zellen sind das Wasser- und Lichtbiegen der Wissenschaft

Photoelektrochemische Zellen sind normalerweise ein Stapel unterschiedlicher Materialien, die Licht absorbieren. Jede Schicht absorbiert eine andere Wellenlänge und baut elektrische Spannungen auf, die zu einer Spannung führen, die stark genug ist, um Wasser in Sauerstoff- und Wasserstoffbrennstoff aufzuspalten.

Das klingt natürlich nach einer guten Nutzung von Sonnenlicht. Aber selbst wenn die Silizium-Solarzellen gut funktionieren, treten Probleme auf, wenn andere Materialien im Stapel nicht mit ihrer Leistung übereinstimmen können, wodurch Energie verschwendet wird.

"Sie benötigen zwei Materialien, idealerweise Silikon und darüber hinaus ein anderes Material, das den energetischeren Teil des Materials absorbieren würde", sagt Segev. "Der Engpass im System ist und wird immer das andere Material sein, daher wird hauptsächlich versucht, das andere Material zu verbessern."

Wie Elektronen eine elegante Lösung darstellen

Bei so vielen Recherchen, die sich auf dieses „andere Material“ konzentrierten, beschlossen Segev und sein Team, einen Schritt zurückzutreten und zu prüfen, wie sie das gesamte System verbessern könnten. Und sie erkannten, dass es eine ganze andere Energiequelle gibt, die darauf wartet, erschlossen zu werden: Elektronen.

„Sie haben dieses Halbleitermaterial und es absorbiert Licht. Licht kann als Teilchen betrachtet werden. Wenn also ein Photon absorbiert wird, gibt es im angeregten Zustand seine Energie an das Elektron ab “, erklärt Segev. „Man kann sagen, dass das Elektron eine bestimmte Zeit hat, bevor es seine Energie verliert, die Energie, die die Photonen ihm gegeben haben.

Vorherige Forschungen ließen die Zellen einfach erwärmen und die Energie zerstreuen. Das Team von Segev hat der Energie des Elektrons buchstäblich einen Absatz gegeben. Während die meisten Wasserspaltgeräte normalerweise zwei Seiten haben, eine für die Herstellung von Solarkraftstoffen und die andere für die Freigabe des Stroms, hat dieser neue Prototyp hinten zwei Auslässe, einen für die Erzeugung von Solarkraftstoff und einen für die Stromversorgung. Zwei Arten von Energie, eine Zelle.

Der Prototyp, an dem im Laufe eines Jahres 19 ärgerliche Iterationen durchgeführt wurden, hat ein dramatisches Potenzial für die Effizienz von Solarenergie gegenüber Wasserstoff als Treibstoff von derzeit 6,8 Prozent. Mit den idealen Materialien rechnete die Gruppe mit einem Potenzialanstieg auf 20,2 Prozent und verdreifachte damit die Rate herkömmlicher Solar-Wasserstoffzellen.

Plötzlich scheinen Solar-Wasserstoff-Tankstellen der Zukunft nicht hoffnungslos zu sein, obwohl weitere Forschung erforderlich ist, bevor wir eine wasserstoffbetriebene Utopie schaffen können.

"Wenn es effizient funktionieren würde und wettbewerbsfähig wäre, könnten wir vielleicht über kommerzielle oder Wasserstoff-Tankstellen sprechen, die von der Sonne angetrieben werden", sagt Segev. "Aber ich denke, dass dies alles zu diesem Zeitpunkt sehr verfrüht ist. Wir sind also nicht an einem Punkt, an dem wir darüber sprechen können, dass dies eine Technologie ist, die die Menschen morgen früh in ihrem Leben sehen würden."

Aber Segev, wir können träumen.

Korrektur: In einer früheren Version der Geschichte wurde irrtümlicherweise gedruckt, dass der Prototyp die dreifache Effizienz erreicht hat, während dies eine Berechnung bleibt. Die Geschichte wurde mit zusätzlichen Kommentaren vom Autor der Studie aktualisiert.