Эпоха ископаемых видов топлива неизбежно закончится по нескольким веским причинам. Водород в качестве альтернативы кажется очень привлекательным. У этого газа огромная плотность энергии, его можно хранить или продолжить переработку, например, в метан, или сразу в чистую электроэнергию с помощью топливных элементов. И если его производить с использованием только солнечного света, то водород становится полностью возобновляемым источником энергии с нулевыми выбросами углерода.
Искусственные листья
Подобно процессу естественного фотосинтеза, солнечный свет может также использоваться в искусственных листьях для разделения воды на кислород и водород. В искусственных листьях объединены фотоактивные полупроводниковые материалы, и их эффективность может достигать более 15%. Однако эти рекордные показатели были получены с использованием дорогостоящих систем, которые также склонны к разложению в водных растворах. Для успешной коммерциализации затраты должны снизиться, а стабильность должна возрасти.
Хорошие кандидаты с одним недостатком
Полупроводники из оксидов металлов являются хорошими кандидатами на искусственные листья, поскольку они относительно дешевы и устойчивы в водных растворах. Ученые из Института солнечного топлива (HZB-Institute for Solar Fuels) при Берлинском центре материалов и энергии сосредоточили свои исследования на поиск этих материалах. До сих пор фотоэлектроды на основе оксидов металлов показывали умеренную эффективность (всего <8%). Одной из причин этого является низкая подвижность их носителей заряда (электронная и / или дырочная), что в 100 000 раз меньше, чем у классических полупроводников, таких как арсенид галлия или кремний. «Хуже то, что у носителей заряда в оксидах металлов часто очень короткие периоды жизни, которые составляют несколько наносекунд или даже пикосекунд. Многие из них исчезают, прежде чем они смогут внести свой вклад в расщепление воды», — отмечает д-р Фатва Абди, эксперт из Института солнечного топлива.
Термическая обработка водородом
Одним из вариантов преодоления этой проблемы является термообработка слоев оксида металла после осаждения в атмосфере водорода. Фатва Абди и его коллеги выяснили, как такая обработка влияет на периоды жизни, транспортные свойства и дефекты в одном из наиболее перспективных фотоэлектродов из оксида металла, ванадата висмута (BiVO4).
Периоды жизни носителей заряда удвоились
Измерения проводимости с временным разрешением показали, что электроны и дырки живут в два раза дольше в ванадате висмута, обработанном водородом, по сравнению с неоработанным. В результате общий фототок под воздействием солнечного света в значительной степени улучшается. Дальнейшие измерения в Дрездене и теоретические расчеты коллег из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (KAUST) в Саудовской Аравии свидетельствуют о том, что присутствие водорода в оксиде металла уменьшает или дезактивирует точечные дефекты в ванадате висмута. «Наши результаты показывают, что обработка водородом приводит к меньшему количеству ловушек для носителей заряда и меньшим возможностям для рекомбинирования или исчезновения. Это способствует тому, что у большинства носителей заряда период жизни увеличивается, и они могут внести свой вклад в расщепление воды», — объясняет Абди.
Источник: https://solarthermalmagazine.com/2017/08/28/solar-hydrogen-production-artificial-leafs/