Sztuczne liście wyprodukują paliwo z wykorzystaniem światła słonecznego

Dwa zespoły badawcze z USA podjęły ważne kroki w kierunku stworzenia komercyjnego „sztucznego liścia” – hipotetycznego urządzenia potrafiącego przekształcać światło słoneczne w energię elektryczną lub paliwo.

Na początku tego roku, chemik Daniel Nocera z Massachusetts Institute of Technology (MIT) zaprezentował prototyp sztucznego liścia na dorocznym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego w Kalifornii. Dodatkowo, współpracując z dwoma różnymi grupami naukowców, opublikował dwie prace dotyczące dwóch różnych urządzeń odzwierciedlających postęp w kierunku efektywnej i ekonomicznie opłacalnej wersji sztucznego liścia.

Obydwa urządzenia skonstruowano w oparciu o wafle krzemowe pokryte katalitycznymi metalami i warstwami ochronnymi. Prototypowe ogniwa słoneczne są wielkości karty kredytowej. Potrafią absorbować światło słoneczne i następnie zmagazynowaną energię wykorzystać w procesie rozkładu wody na elementy składowe: tlen i wodór. Konwencjonalne ogniwa fotowoltaiczne, przetwarzają bezpośrednio światło słoneczne na energię elektryczną. Celem naukowców z USA jest stworzenie zintegrowanego paliwa słonecznego będącego połączeniem tlenu oraz wodoru, którego zadaniem będzie przekształcanie energii chemicznej w energię elektryczną. Takie rozwiązanie posiada tą ważną zaletę, że paliwo może być z łatwością przechowywane do czasu, w którym jest ono rzeczywiście potrzebne.

Liście ze złączem p-n

Kluczowym elementem sztucznego liścia jest złącze p-n, czyli dwuwarstwa półprzewodnika, w tym przypadku krzemu, domieszkowana na typ n (z nadwyżką elektronów) oraz typ p (z nadwyżką dziur). Fotony padające na obszar złącza p-n są absorbowane, tworząc związaną parę elektron-dziura (ekscyton). Rozkład wody na jej elementy składowe odbywa się poprzez dodatnio naładowane nośniki ładunku (dziury) za pośrednictwem fotokatalizatora wykonanego z fosforanu kobaltu. Głównym wyzwaniem w stworzeniu obu tych urządzeń było uniknięcie kontaktu półprzewodnikowego krzemu z wodą. Obydwa zespoły prezentowały różne podejścia w rozwiązaniu tego problemu. Pierwsza grupa kierowana przez inżyniera Vladimiara Bulovica jako warstwy ochronnej użyła samego katalizatora połączonego z cienką warstwą czystego kobaltu osadzonego na powierzchni krzemu, aby ochronić go przed konwersją do postaci fosforanu. Drugi zespół, kierowany przez inżyniera mechanika Tonio Buonassisi, użył cienkiej przewodzącej warstwy tlenku cynkowo-indowego (ITO) umieszczonej przed obszarem krzemu domieszkowanego na typ p.

Wydajność konwersji energii słonecznej na rozkład cząsteczek wody, osiągniętej poprzez połączenie dwóch ogniw słonecznych wykonanych przez grupę Buonassisi’ego, wyniosła 0,25 %. Chociaż wartość ta nie jest zbyt duża, należy jednak pamiętać, że wydajność procesu fotosyntezy wynosi zaledwie kilka procent. Niemniej jednak, kolejnym ważnym aspektem pozostaje przewidywany koszt takiego urządzenia, który ze względu na obecność wodoru w procesach konwersji energii, na pewno nie będzie mały.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com