Die zus\u00e4tzliche R\u00fcckseite der HPEV-Zelle erm\u00f6glicht es, den Strom in zwei Teile zu teilen, so dass ein Teil des Stroms zur Erzeugung von Solarbrennstoffen beitr\u00e4gt und der Rest als elektrischer Strom gewonnen werden kann.<\/p>\n
Auf der Suche nach reichlich vorhandenen, erneuerbaren Alternativen zu fossilen Brennstoffen haben Wissenschaftler versucht, die Energie der Sonne durch “Wasserspaltung” zu gewinnen, eine k\u00fcnstliche Photosynthesemethode, die Sonnenlicht nutzt, um Wasserstoff aus Wasser zu erzeugen. Doch Wasserspaltger\u00e4te m\u00fcssen noch ihr Potenzial aussch\u00f6pfen, denn es gibt immer noch kein Design f\u00fcr Materialien mit der richtigen Mischung aus optischen, elektronischen und chemischen Eigenschaften, die f\u00fcr ein effizientes Arbeiten erforderlich sind.<\/p>\n
Jetzt haben Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums und des Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), einem DOE Energy Innovation Hub, ein neues Rezept f\u00fcr erneuerbare Kraftstoffe entwickelt, das die Einschr\u00e4nkungen der heutigen Materialien umgehen k\u00f6nnte: ein k\u00fcnstliches Photosyntheseger\u00e4t namens “hybride photoelektrochemische und Voltaik(HPEV)-Zelle”, das Sonnenlicht und Wasser in nicht nur eine, sondern zwei Arten von Energie verwandelt – Wasserstoff und Strom.<\/p>\n
Einen Ausweg f\u00fcr Elektronen finden
\nDie meisten Wasserspaltger\u00e4te bestehen aus einem Stapel lichtabsorbierender Materialien. Je nach Zusammensetzung absorbiert jede Schicht verschiedene Teile oder “Wellenl\u00e4ngen” des Sonnenspektrums, die von weniger energetischen Wellenl\u00e4ngen des Infrarotlichts bis zu mehr energetischen Wellenl\u00e4ngen des sichtbaren oder ultravioletten Lichts reichen.<\/p>\n
Wenn jede Schicht Licht absorbiert, baut sie eine elektrische Spannung auf. Diese einzelnen Spannungen vereinen sich zu einer Spannung, die gro\u00df genug ist, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten. Doch laut Gideon Segev, Postdoc bei JCAP in der Chemical Sciences Division des Berkeley Lab und Hauptautor der Studie, besteht das Problem dieser Konfiguration darin, dass Silizium-Solarzellen zwar sehr nahe an ihrer Grenze Strom erzeugen k\u00f6nnen, ihr Leistungspotenzial aber beeintr\u00e4chtigt wird, wenn sie Teil eines wasserspaltenden Ger\u00e4tes sind.<\/p>\n
Der Strom, der durch das Ger\u00e4t flie\u00dft, wird durch andere Materialien im Stapel begrenzt, die nicht so gut funktionieren wie Silizium, und als Ergebnis produziert das System viel weniger Strom als es k\u00f6nnte – und je weniger Strom es erzeugt, desto weniger Solarbrennstoff kann es produzieren.<\/p>\n
“Es ist, als w\u00fcrde man ein Auto immer im ersten Gang fahren”, sagte Segev. “Das ist Energie, die man ernten k\u00f6nnte, aber weil Silizium nicht an seinem maximalen Leistungspunkt wirkt, k\u00f6nnen die meisten der angeregten Elektronen im Silizium nirgendwo hingehen, also verlieren sie ihre Energie, bevor sie f\u00fcr n\u00fctzliche Arbeiten genutzt werden.”<\/p>\n
Aus dem ersten Gang herauskommen<\/p>\n
So schlugen Segev und seine Co-Autoren – Jeffrey W. Beeman, ein JCAP-Forscher in der Chemical Sciences Division von Berkeley Lab, und die ehemaligen Berkeley Lab- und JCAP-Forscher Jeffery Greenblatt, der heute die in der Bay Area ans\u00e4ssige Technologieberatung Emerging Futures LLC leitet, und Ian Sharp, heute Professor f\u00fcr experimentelle Halbleiterphysik an der Technischen Universit\u00e4t M\u00fcnchen, eine \u00fcberraschend einfache L\u00f6sung f\u00fcr ein komplexes Problem vor.<\/p>\n
“Wir dachten: “Was w\u00e4re, wenn wir die Elektronen einfach rauslassen?”, sagte Segev.<\/p>\n
Bei wasserspaltenden Ger\u00e4ten ist die Vorderfl\u00e4che in der Regel f\u00fcr die Herstellung von Solarbrennstoffen vorgesehen, und die R\u00fcckseite dient als Steckdose. Um die Einschr\u00e4nkungen des konventionellen Systems zu umgehen, f\u00fcgten sie der R\u00fcckseite der Siliziumkomponente einen zus\u00e4tzlichen elektrischen Kontakt hinzu, was zu einem HPEV-Ger\u00e4t mit zwei statt nur einem Kontakt auf der R\u00fcckseite f\u00fchrte. Die zus\u00e4tzliche R\u00fcckdose w\u00fcrde es erm\u00f6glichen, den Strom in zwei Teile zu teilen, so dass ein Teil des Stroms zur Erzeugung von Solarbrennstoffen beitr\u00e4gt und der Rest als elektrische Energie gewonnen werden kann.<\/p>\n
Wenn das, was du siehst, das ist, was du bekommst.<\/p>\n
Nachdem sie eine Simulation durchgef\u00fchrt hatten, um vorherzusagen, ob die HPEC wie geplant funktionieren w\u00fcrde, stellten sie einen Prototyp her, um ihre Theorie zu testen. “Und zu unserer \u00dcberraschung hat es funktioniert!” sagte Segev. “In der Wissenschaft ist man sich nie ganz sicher, ob alles funktioniert, auch wenn Ihre Computersimulationen das sagen. Aber das macht es auch lustig. Es war sch\u00f6n zu sehen, dass unsere Experimente die Vorhersagen unserer Simulationen best\u00e4tigen.”<\/p>\n
Nach ihren Berechnungen w\u00fcrde ein herk\u00f6mmlicher solarer Wasserstoffgenerator, der auf einer Kombination aus Silizium und Wismutvanadat basiert, einem Material, das weithin f\u00fcr die solare Wasserspaltung untersucht wird, Wasserstoff bei einem Wirkungsgrad von 6,8 Prozent erzeugen. Mit anderen Worten, von der gesamten einfallenden Sonnenenergie, die auf die Oberfl\u00e4che einer Zelle trifft, werden 6,8 Prozent in Form von Wasserstoff als Brennstoff gespeichert, und der Rest geht verloren.<\/p>\n
Im Gegensatz dazu sammeln die HPEV-Zellen \u00fcbersch\u00fcssige Elektronen, die nicht zur Kraftstofferzeugung beitragen. Diese Restelektronen werden stattdessen zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet, was zu einer drastischen Steigerung des Gesamtwirkungsgrades der Solarenergie f\u00fchrt, sagte Segev. So k\u00f6nnen beispielsweise nach den gleichen Berechnungen die gleichen 6,8 Prozent der Sonnenenergie als Wasserstoffkraftstoff in einer HPEV-Zelle aus Wismutvanadat und Silizium gespeichert und weitere 13,4 Prozent der Sonnenenergie in Strom umgewandelt werden. Dies erm\u00f6glicht einen Gesamtwirkungsgrad von 20,2 Prozent, dreimal besser als herk\u00f6mmliche Solar-Wasserstoffzellen.<\/p>\n
Die Forscher wollen ihre Zusammenarbeit fortsetzen, um zu pr\u00fcfen, ob sie das HPEV-Konzept auch f\u00fcr andere Anwendungen wie die Reduzierung des Kohlendioxidaussto\u00dfes nutzen k\u00f6nnen. “Dies war wirklich eine Gruppenarbeit, bei der Menschen mit viel Erfahrung dazu beitragen konnten”, f\u00fcgte Segev hinzu. “Nach anderthalb Jahren, in denen wir an einem ziemlich m\u00fchsamen Prozess gearbeitet haben, war es sch\u00f6n zu sehen, dass unsere Experimente endlich zusammenkommen.”<\/p>\n
<\/p>\n
Originalver\u00f6ffentlichung:<\/p>\n