科学家通过光电化学水分解工艺重新获得了太阳能制氢效率最高的记录

2019-10-23 08:34:50

美国能源部(DOE)国家可再生能源实验室(NREL)的科学家重新获得了通过光电化学(PEC)水分解工艺生产太阳能氢的最高效率的记录。

新的太阳能到氢(STH)效率记录是16.2%,在2015年由由Helmholtz-Zentrum Berlin,TU Ilmenau,Fraunhofer ISE和加利福尼亚理工学院的研究人员组成的国际团队中,报告的效率为14%。在一份文件中自然能源通过倒置变形多结半导体架构名为太阳直接到氢转换概述NREL的新纪录是如何实现的。作者是来自NREL的James Young,Myles Steiner,Ryan France,John Turner和Todd Deutsch,以及德国Philipps-UniversitätMarburg的HenningDöscher。Döscher与NREL有从属关系。

创纪录的PEC电池代表了1990年代NREL开发的概念设备Turner的重大改变。

新旧PEC工艺都使用堆叠的光吸收串联半导体,将其浸入酸/水溶液(电解质)中,在其中发生水分解反应以形成氢气和氧气。但是,与原始的由砷化镓(GaAs)上生长的磷化铟镓(GaInP2)制成的原始设备不同,新的PEC电池从上到下上下颠倒生长,从而形成了所谓的反向变质多结(IMM)。设备。

IMM的这一进步使NREL研究人员可以用砷化铟镓(InGaAs)代替常规的GaAs层,从而大大提高了器件效率。新进展的第二个主要区别特征是在器件顶部沉积了非常薄的磷化铝铟(AlInP)“窗口层”,然后是第二层GaInP2。这些额外的层既可以消除表面上的缺陷(否则会降低效率),又可以部分保护关键的下层免受腐蚀性电解质溶液的腐蚀,电解质溶液会使半导体材料退化并限制PEC电池的使用寿命。

特纳的最初突破创造了一种有趣的新方法,该方法利用阳光作为唯一可再生氢的能源输入,有效地分解水。使用太阳光的其他方法需要额外的损耗产生步骤。例如:商用太阳能电池产生的电能可以通过功率转换系统发送到电解器,以大约12%的STH效率将水分解为氢和氧。特纳的直接方法将STH效率创下了长期以来无与伦比的12.4%的记录,这已被NREL的新型PEC电池所超越。

在PEC技术在商业上可行之前,必须降低制氢成本,才能达到DOE的每公斤氢气不到2美元的目标。为了达到该目标,需要持续提高电池效率和寿命。进一步提高效率将提高单位面积的氢气生产率,从而通过减少系统平衡支出来降低氢气成本。结合效率的提高,当前电池配置的耐用性需要大大延长,使其使用寿命超过几个小时,以显着降低成本。NREL研究人员除了提高效率外,还积极寻求增加PEC装置寿命的方法。

虽然该设备不浸入酸性电解质中而是连接到外部电解池的另一种配置可以解决耐久性挑战,但美国能源部委托进行的一项技术经济分析表明,浸入水中的设备有可能在较低的温度下产生氢气成本。

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