Ученые из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США разработали фотоэлектрохимическую ячейку, способную захватывать избыточную энергию фотонов, которая обычно теряется в процессе выработки тепла.
Используя квантовые точки и процесс под названием множественное генерирование экситонов (MEG), исследователи NREL смогли повысить пиковую внешнюю квантовую эффективность для генерации водорода до 114%. Это могло бы значительно увеличить производство водорода от солнечного света, используя ячейку для разделения воды с более высокой эффективностью и меньшими затратами, чем другие современные фотоэлектрохимические подходы.
Подробная информация об исследовании изложена в научно журнале Nature Energy. Исследователи NREL в 2011 году опубликовали статью в Science, в которой впервые показано, как MEG позволяет солнечной ячейке превышать 100%-ную квантовую эффективность, производя больше электронов в электрическом токе, чем количество фотонов, поступающих в солнечный элемент.
— Главное отличие здесь заключается в том, что мы зафиксировали это усиление MEG в химической связи, а не только в электрическом токе. Мы продемонстрировали, что тот же самый процесс, который производит дополнительный ток в солнечном элементе, может также применяться для получения дополнительных химических реакций или запасенной энергии в химических связях, — отметил один из соавторов исследования Мэтью Бирд.
Максимальная теоретическая эффективность солнечного элемента ограничена тем, насколько энергия фотона может быть преобразована в полезную электрическую энергию, при этом энергия фотона теряется на нагрев полупроводников. Процесс MEG использует преимущества дополнительной энергии фотонов, чтобы генерировать больше электронов, а не выделять тепло. Квантовый точки, которые являются сферическими полупроводниковыми нанокристаллами (диаметром 2-10 нм), усиливают процесс MEG.
В текущем докладе множественные электроны или носители заряда, которые генерируются посредством процесса MEG в квантовых точках, захватываются и хранятся в химических связях молекулы Н2.
Исследователи NREL разработали ячейку, основанную на фотонаноде с квантовыми точками сульфида свинца (PbS). Фотоанод включает в себя слой квантовых точек PbS, нанесенный на диэлектрическую стойку из диоксида титана/фтора, легированную оловом.
Химическая реакция, вызванная дополнительными электронами, продемонстрировала новое направление в исследовании высокоэффективных подходов к солнечному топливу.