Исследователи из Вустерского политехнического института (WPI) получили три гранта на общую сумму около 800 тысяч долларов США от NSF и Массачусетского центра чистой энергии для создания новых материалов для солнечных батарей и новых фотокатализаторов для хранения энергии, которую они генерируют.
Исследовательская группа Вустерского политехнического института (WPI), финансируемая двумя значительными грантами Национального научного фонда (NSF) и наградами от Центра чистой энергии Массачусетса, разрабатывает материалы для создания и хранения большого количества солнечной энергии, что может сделать ее использование более эффективными, менее дорогими и более доступными.
Первый проект направлен на открытие новых материалов для солнечных элементов, которые могут повысить их эффективность и сделать доступнее для производства. Второй способ снизит стоимость производства водорода с использованием солнечной энергии или электроэнергии из других источников чистой энергии. (Генерация водорода может быть эффективным способом хранения солнечной энергии).
— Мы очень рады этим проектам из-за того, какое влияние они могут оказать на чистую энергию в будущем. и потому что они очень интересные проблемы для решения, — сказал глава проектов Пратар Рао, доцент механического машиностроения.
Рао получил трехлетнюю премию в размере 314 065 долларов США от NSF в начале августа за разработку дешевого катализатора для электрохимического процесса, который может генерировать водород из воды. Он работает с еще одним соисследователем Аароном Ледлинсом, адъюнкт-профессором химического машиностроения.
Грант дополняет премию NSF в размере 409 274 долларов, полученную в 2016 году для финансирования разработки новых, недорогих материалов для солнечных батарей, этот проект Рао ведет с доцентом физики Любовью Титовой. Все три исследователя входят в новую группу исследований энергии WPI.
Как известно, солнечный свет является чистым источником энергии, но ряд проблем мешает его повсеместному использованию.
Одним из самых важных является его непостоянство: на улице не всегда солнечно, а солнечные периоды не всегда совпадают с высоким спросом на электроэнергию. Кроме того, такое электричество можно использовать только сразу же – его нельзя хранить без специальной системы аккумуляторов.
Поэтому важно разработать способ хранения солнечной энергии, которая могла бы быть доступна по мере необходимости.
В настоящее время наилучшими вариантами для хранения являются батареи и гидроэлектростанция с накачкой. Но в электрической сети США нет большого количества батарей, а насосно-гидроэлектростанций мало и они расположены далеко друг от друга.
Благодаря новейшей награде NSF, Рао и Дескинс сосредоточены на другом способе хранения солнечной энергии — использование электричества для разделения воды на молекулы водорода и кислорода посредством процесса, называемого электролизом. Два газа могут быть сохранены, чтобы впоследствии рекомбинировать их в топливном элементе для выработки электроэнергии, когда того требует спрос. (Водород также широко используется в производстве удобрений и химических веществ).
Электролиз — самый чистый способ получения водорода, но поскольку он требует большого количества электроэнергии и дорогостоящих катализаторов, таких как платина, это дорого. По этой причине большая часть водорода, произведенного в США, создается посредством природного газа через паровой риформинг, который, хотя и дешевле, также производить углекислый газ и парниковый газ.
Команда WPI исследует электрокатализаторы, такие как дисульфид вольфрама, кристаллический материал, который имеет тенденцию образовывать листы толщиной всего в три атома.
Электричество, генерируемое из возобновляемого источника энергии, такого как солнечный элемент или ветряная турбина, может быть нанесен на листы сульфида вольфрама через электропроводящий материал-носитель. Электричество направляется к каталитически активным краям листов, где оно переносится молекулами воды, что приводит к их разделению на кислород и водород.
Исследовательская группа анализирует, как электричество переносится на листы дисульфида вольфрама из вспомогательного материала. По их словам, это не привлекло большого внимания в этой области.
— Если мы сможем найти способ более эффективно получать электричество с помощью дисульфида вольфрама, мы сможем повысить эффективность всей реакции электролиза, — считают ученые.
По словам Рао, листы дисульфида вольфрама обычно лежат на несущем материале, но в такой ориентации может возникнуть трудность втекания электричества в них.
Поэтому исследователи экспериментируют с методами синтеза дисульфида вольфрама в виде листов, которые расположены перпендикулярно поверхности, например, как лопасти в радиаторе, или в виде трубок, которые выступают с поверхности. В обеих конфигурациях края листов касаются опорного материала. Исследователи полагают, что они также могут настраивать химию краев графена, чтобы сделать передачу электроэнергии более эффективной.
С премией NSF 2016 года Рао и Титова сосредоточены на разработке новых материалов для солнечных фотоэлектрических элементов, которые легче и дешевле изготавливать.
Сегодня кремний является основным материалом, используемым в солнечных батареях. Это хороший материал, так как его много, он достаточно эффективен и прочен. Однако из-за его высокой температуры плавления — более 1400 градусов Цельсия — требуется значительная энергия для создания кристаллов кремния, которые затем нарезаются.
Команда WPI работает над созданием новых материалов, состоящих из оксидов металлов, которые будут менее дорогими для производства. Эти материалы можно создавать при температуре около 500 градусов Цельсия, что означает, что для производства солнечных батарей потребуется гораздо меньше энергии. Кроме того, поскольку они могут наноситься тонким слоем через процесс, подобный распылени краски, новые материалы сделают процесс изготовления солнечных элементов более простым и быстрым.
Также, в отличие от существующих тонкопленочных солнечных материалов, новые материалы будут состоять из нетоксичных элементов. Существует и возможность нанесения этих новых материалов на существующие кремниевые фотопанели для повышения их эффективности.
Рао и его команда проверили несколько комбинаций материалов и сузили список потенциальных к нескольким. Титова использует технику, называемую терагерцовой спектроскопией, для изучения того, как заряды внутри этих материалов ведут себя в ультракоротких временных масштабах после их возбуждения солнечным светом.