Революционная методика позволит превращать этот элемент в "чистое" топливо и использовать в качестве энергонакопителя в промышленных масштабах.

Водород признан незаменимым для экологичного и стабильного энергообеспечения, поскольку выработка тока и тепла с его помощью представляет собой практически неограниченный ресурс и не генерирует опасные побочные продукты. Специалисты давно делают ставку на производство этого элемента путем прямого расщепления воды солнечным светом. Однако из-за малой производительности фотокалитических систем водород до сих пор получают в основном из природного газа или из воды, которую расщепляют электролизом. А используемые в промышленном масштабе агрегаты пока не приспособлены работать исключительно на изменяющейся силе ветра или солнечной энергии.

Германо-американская команда исследователей совершила прорыв в фотогальванике, увеличив КПД при стопроцентном "солнечном" производстве водорода из воды до рекордных 19 %. Тем самым ученые вплотную приблизились к теоретически допустимому максимуму, составляющему 23 %, при котором вся поглощенная энергия света расходуется на разложение воды. Примечательно, что предыдущий рекорд (12,4 %) продержался целых 17 лет.

Для своей революционной разработки Маттиас Май (Mattias May) из Центра материалов и энергии имени Гельмгольца, Томас Ханнапель (Thomas Hannappel) из Технического университета Ильменау и Ханс-Йоахим Леверенц (Hans-Joachim Lewerenz) из Калифорнийского технологического института использовали высокоэффективную тандемную солнечную батарею, состоящую из двух полупроводников смешанного типа.

Суперпродуктивность инновационной солярной энергосистемы (ISE) обеспечивает разработанный во Фрайбурге в Институте солнечных энергосистем им. Фрауэенгофера фотохимический элемент, который имеет фотоэлектрический КПД 30 процентов. Собственно, он и вырабатывает электроэнергию из солнечного света с тем, чтобы расщепить воду на водород и кислород. Для этого солнечная батарея помещается в заполненную водой электрохимическую ячейку. В процессе эксплуатации в области катода выделяется газообразный водород, тогда как в области анода возникает кислород.

Три года назад Маттиасу Маю и его коллегам этим способом уже удавалось преобразовать 14 процентов падающего солнечного света в водород, что в то время тоже было лучшим в мире результатом. Однако энергопотери, вызванные процессами отражения и поглощения света на поверхности используемой тогда  фотохимической ячейки, были слишком велики. К тому же коррозийный эффект, вызванный контактом с водой, сокращал срок службы электрохимических элементов.

Сейчас исследователи устранили слабые звенья конструкции. "Мы заменили антикоррозийный верхний слой кристаллическим слоем диоксида титана, который не только обладает отличными антибликовыми свойствами, но и притягивает наночастицы родия, из которых состоит катализатор нашей установки", – объясняет Ханс-Йоахим Леверенц.

Для получения частиц родия, ускоряющих процесс расщепления воды, исследователи также использовали новый электрохимический процесс. "Эти частицы всего 10 нанометров в диаметре и поэтому оптически почти прозрачны, что делает их идеальными для работы", – поясняют создатели высокопродуктивной новинки.

Кроме этого, на этот раз удалось обеспечить оптимальную транспортировку производимого в солнечной батарее электрического переносчика заряда в направлении катода. Все эти новшества позволили ученым обеспечить в кислотном водном растворе небывалую эффективность 19,3 %, тогда как в нейтральной воде КПД на данный момент составляет 18,5 %.  С помощью дальнейших технических инноваций экспериментаторы рассчитывают перешагнуть 20-прецентный показатель производительности для фотокаталитической ячейки этого типа.

Среди ближайших задач – работа над увеличением срока эксплуатации тандемной батареи, который пока остается слабым звеном. Производительность системы падает после ста часов работы, в то время как для практического применения требуется несколько тысяч часов бесперебойной работы без снижения эффективности.

Также в планах – снизить затраты на материалы для прототипа, поскольку используемые в нем особые полупроводники делают конструкцию чересчур дорогой для коммерческого применения. Для этого специалисты Технического университета Ильменау вместе с коллегами из Института Фрауэнгофера работают над созданием фотогальванических элементов, в которых композиционные полупроводники  будут скомбинированы с кремнием, который превосходит родий в экономичности.

Если удастся и впредь вести разработки с нынешними темпами, то, по оценкам ученых, уже через пять-десять лет тандемные солнечные батареи поступят на рынок, чтобы превращать энергию солнечного света в водород в промышленных масштабах.

Арина Попова