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对可再生能源负双重责任的太阳能电池

为了寻求丰富,可再生的化石燃料替代品,科学家们一直试图通过“水分裂”来收获太阳的能量,这是一种利用太阳光从水中产生氢燃料的人工光合作用技术。但是水分解装置还没有发挥其潜力,因为仍然没有设计适合他们有效工作所需的光学,电子和化学性质的材料。

现在,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和美国能源部能源创新中心人工光合作用联合中心(JCAP)的研究人员已经提出了一种新的可再生燃料配方,可以绕过当前的限制。材料:一种称为“混合光电化学和电流(HPEV)电池”的人工光合作用装置,它将阳光和水转化为不仅仅是一种,而是两种能源 - 氢燃料和电能。描述这项工作的论文于10月29日在Nature Materials上发表。

寻找电子出路

大多数水分解装置由一叠光吸收材料制成。根据其构成,每层吸收太阳光谱的不同部分或“波长”,范围从低能量波长的红外光到更高能量波长的可见光或紫外光。

当每层吸收光时,它会产生电压。这些单独的电压组合成一个足够大的电压,以将水分成氧气和氢气燃料。但根据伯克利实验室化学科学部JCAP的博士后研究员和该研究的主要作者Gideon Segev所说,这种配置的问题在于,尽管硅太阳能电池可以发电非常接近极限,但它们的高性能潜力是当它们是水分解装置的一部分时受到损害。通过器件的电流受到堆栈中其他材料的限制,这些材料的性能不如硅,因此,系统产生的电流远远低于电容 - 电流产生的电流越少,太阳能越少它可以产生的燃料。

“这就像总是在一档车上运行一样,”塞格夫说。“这是你可以收获的能量,但由于硅没有在其最大功率点发挥作用,硅中的大部分激发电子无处可去,因此它们在用于做有用的工作之前就会失去能量。”

退出第一档

所以Segev和他的合着者 - 伯克利实验室化学科学部JCAP研究员Jeffrey W. Beeman,前伯克利实验室和JCAP研究员Jeffery Greenblatt,他现在负责湾区技术咨询公司Emerging Futures LLC和Ian夏普现在是德国慕尼黑技术大学实验半导体物理学教授,他提出了一个解决复杂问题的简单解决方案。

“我们想,'如果我们让电子出来怎么办?'”塞格夫说。

在水分解装置中,前表面通常专用于太阳能燃料生产,后表面用作电源插座。为了解决传统系统的局限性,他们在硅元件的背面增加了一个额外的电接触,从而使HPEV器件在背面有两个触点而不是一个。额外的后部出口将允许电流分成两部分,使得一部分电流有助于太阳能燃料的产生,其余部分可以作为电力提取。

当你看到的是你得到的

在运行模拟以预测HPEC是否将按设计运行后,他们制作了一个原型来测试他们的理论。“令我们惊讶的是,它奏效了!”塞杰夫说。“在科学方面,即使你的计算机模拟表明他们愿意,你也不会确定一切是否会发挥作用。但这也是让它变得有趣的原因。很高兴看到我们的实验验证了我们的模拟预测。”根据他们的计算,传统的太阳能氢发生器基于硅和钒酸铋的组合,这是一种广泛研究用于太阳能水分解的材料,它将产生氢气,太阳能氢能效率为6.8%。换句话说,在撞击电池表面的所有入射太阳能中,6.8%将以氢燃料的形式存储,其余的全部丢失。

相反,HPEV细胞收获剩余电子,这些电子不会产生燃料。Segev表示,这些残余电子用于产生电能,从而大大提高了整体太阳能转换效率。例如,根据相同的计算,相同的6.8%的太阳能可以作为氢燃料储存在由钒酸铋和硅制成的HPEV电池中,另外13.4%的太阳能可以转换为电能。这使得组合效率达到20.2%,是传统太阳能氢电池的三倍。

研究人员计划继续合作,以便他们可以将HPEV概念用于其他应用,例如减少二氧化碳排放。“这确实是一项团队努力,有很多经验的人能够做出贡献,”塞格夫补充说。“经过一年半的努力,在一个相当繁琐的过程中,很高兴看到我们的实验最终融合在一起。”

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