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Eine Solarzelle, die doppelte Leistung für erneuerbare Energien leistet
Nov 02, 2018

Datum: 29. Oktober 2018

Zusammenfassung:

Die Forscher haben ein künstliches Photosynthesegerät entwickelt, das als "Hybrid-Photoelektrochemie- und Elektrozellen-Zelle" (HPEV-Zelle) bezeichnet wird und Sonnenlicht und Wasser in zwei Arten von Energie umwandelt - Wasserstoffbrennstoff und Elektrizität.

     

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Durch den zusätzlichen rückseitigen Anschluss der HPEV-Zelle kann der Strom in zwei Teile aufgeteilt werden, so dass ein Teil des Stroms zur Erzeugung von Solarkraftstoffen beiträgt und der Rest als elektrische Energie gewonnen werden kann.

Bildnachweis: Berkeley Lab, JCAP

 

Auf der Suche nach reichhaltigen, erneuerbaren Alternativen zu fossilen Brennstoffen haben Wissenschaftler versucht, die Sonnenenergie durch "Wasserspaltung" zu gewinnen, eine künstliche Photosynthesetechnik, bei der Sonnenlicht verwendet wird, um aus Wasser Wasserstoffbrennstoff zu erzeugen. Wasserspaltgeräte müssen ihr Potenzial jedoch noch nicht voll ausschöpfen, da Materialien für die richtige Kombination optischer, elektronischer und chemischer Eigenschaften für ein effizientes Arbeiten noch nicht entwickelt wurden.

 

Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums und des Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), eines DOE Energy Innovation Hub, haben nun ein neues Rezept für erneuerbare Kraftstoffe entwickelt, das die derzeitigen Beschränkungen umgehen könnte Materialien: Eine künstliche Photosynthese-Vorrichtung, die als "Hybrid-Photoelektrochemie- und Elektrozellen-Zelle" (HPEV-Zelle) bezeichnet wird und Sonnenlicht und Wasser in nicht nur eine, sondern zwei Arten von Energie umwandelt - Wasserstoffbrennstoff und Strom. Die Arbeit, die diese Arbeit beschreibt, wurde am 29. Oktober in Nature Materials veröffentlicht.

 

Einen Ausweg für Elektronen finden

 

Die meisten Wasserspaltgeräte bestehen aus einem Stapel lichtabsorbierender Materialien. Abhängig von ihrem Aufbau absorbiert jede Schicht verschiedene Teile oder "Wellenlängen" des Sonnenspektrums, die von weniger energetischen Wellenlängen des infraroten Lichts bis zu energetischeren Wellenlängen des sichtbaren oder ultravioletten Lichts reichen.

 

Wenn jede Schicht Licht absorbiert, baut sie eine elektrische Spannung auf. Diese Einzelspannungen vereinigen sich zu einer Spannung, die groß genug ist, um Wasser in Sauerstoff- und Wasserstoffbrennstoff aufzuspalten. Laut Gideon Segev, einem Postdoktoranden bei JCAP in Berkeley Labs Chemical Sciences Division und dem Hauptautor der Studie, besteht das Problem bei dieser Konfiguration darin, dass Silizium-Solarzellen zwar Strom nahe an ihrer Grenze erzeugen können, ihr Potenzial jedoch hoch ist kompromittiert, wenn sie Teil eines Wasserspaltgerätes sind.

 

Der durch das Gerät fließende Strom wird durch andere Materialien im Stapel begrenzt, die nicht so gut funktionieren wie Silizium. Daher produziert das System viel weniger Strom, als es könnte - und je weniger Strom es erzeugt, desto weniger Sonnenstrom Kraftstoff kann es produzieren.

 

"Es ist, als würde man immer ein Auto im ersten Gang fahren", sagte Segev. "Das ist Energie, die Sie ernten könnten, aber da Silizium nicht an seinem maximalen Leistungspunkt wirkt, können die meisten der angeregten Elektronen im Silizium nirgendwohin gehen, sodass sie ihre Energie verlieren, bevor sie für nützliche Arbeit eingesetzt werden."

 

Raus aus dem ersten Gang

 

Segev und seine Co-Autoren - Jeffrey W. Beeman, ein JCAP-Forscher in Berkeley Labs Chemical Sciences-Division, und der ehemalige Berkeley Lab- und JCAP-Forscher Jeffery Greenblatt, der heute die in Bay Area ansässige Technologieberatung Emerging Futures LLC leitet, und Ian Sharp, jetzt Professor für experimentelle Halbleiterphysik an der Technischen Universität München, schlug eine überraschend einfache Lösung für ein komplexes Problem vor.

 

"Wir dachten:" Was ist, wenn wir nur die Elektronen rauslassen? ", Sagte Segev.

 

Bei Wasserspaltgeräten ist die Vorderseite normalerweise der Produktion von Solarkraftstoffen gewidmet, und die Rückseite dient als Steckdose. Um die Einschränkungen des konventionellen Systems zu umgehen, fügten sie der Rückseite der Siliziumkomponente einen zusätzlichen elektrischen Kontakt hinzu, so dass sich ein HPEV-Gerät mit zwei Kontakten statt nur einem auf der Rückseite befindet. Die zusätzliche hintere Steckdose würde die Aufteilung des Stroms in zwei Teile ermöglichen, so dass ein Teil des Stroms zur Erzeugung von Solarkraftstoffen beiträgt und der Rest als elektrische Energie gewonnen werden kann.

 

Wenn Sie sehen, was Sie bekommen

 

Nachdem sie eine Simulation durchgeführt hatten, um vorherzusagen, ob die HPEC wie geplant funktionieren würde, erstellten sie einen Prototyp, um ihre Theorie zu testen. "Und zu unserer Überraschung hat es funktioniert!" Sagte Segev. "In der Wissenschaft sind Sie nie wirklich sicher, ob alles funktionieren wird, auch wenn Ihre Computersimulationen dies tun. Aber das macht auch Spaß. Es war großartig zu sehen, dass unsere Experimente die Vorhersagen unserer Simulationen bestätigen."

 

Ihren Berechnungen zufolge würde ein herkömmlicher Solar-Wasserstoffgenerator, der auf einer Kombination von Silizium und Bismutvanadat basiert, einem Material, das für die Aufspaltung von Solaren Wasser weithin untersucht wurde, Wasserstoff mit einem Wirkungsgrad von 6,8 Prozent erzeugen. Mit anderen Worten, von der gesamten einfallenden Sonnenenergie, die auf die Oberfläche einer Zelle trifft, werden 6,8 Prozent in Form von Wasserstoffbrennstoff gespeichert und der Rest geht verloren.

 

Im Gegensatz dazu ernten die HPEV-Zellen Elektronenreste, die nicht zur Kraftstoffproduktion beitragen. Diese Restelektronen werden stattdessen zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet, was zu einer dramatischen Erhöhung des Wirkungsgrads der Umwandlung von Solarenergie führt. Nach denselben Berechnungen können beispielsweise die gleichen 6,8 Prozent der Sonnenenergie als Wasserstoffbrennstoff in einer HPEV-Zelle aus Bismutvanadat und Silizium gespeichert werden, und weitere 13,4 Prozent der Sonnenenergie können in Elektrizität umgewandelt werden. Dies ermöglicht einen kombinierten Wirkungsgrad von 20,2 Prozent und ist damit dreimal so hoch wie bei herkömmlichen Solar-Wasserstoffzellen.

 

Die Forscher planen, ihre Zusammenarbeit fortzusetzen, um das HPEV-Konzept für andere Anwendungen wie die Verringerung der Kohlendioxidemissionen zu prüfen. "Dies war wirklich eine Gruppenarbeit, an der sich Menschen mit viel Erfahrung beteiligen konnten", fügte Segev hinzu. "Nachdem wir anderthalb Jahre an einem ziemlich langwierigen Prozess gearbeitet hatten, war es großartig zu sehen, wie unsere Experimente endlich zusammen kamen."