苏州市科学技术局,分解水分子存储太阳能效率提高

美国斯坦福大学研究人员最新研究发现,加热铁锈之类金属氧化物,可以提升特定太阳能电池的转换效率和能量储存效率。

太阳能是取之不尽的清洁能源,但要充分利用太阳能,需解决如何以较低成本储存太阳能以供随时使用这一关键问题。10月31日,美国斯坦福大学一个团队报告说,他们对通过分解水分子储存太阳能的方法进行了改进,使这种方法的储能效率达到30%,是目前同类方法中最高效的。

德国赫姆霍茨柏林中心太阳能燃料研究所与荷兰代尔夫特理工大学的科研人员用一个简单的太阳能电池与金属氧化物光阳极,实现了光能转氢率5%。这是个突破,因为使用的太阳能电池比通常采用的三联点非晶硅薄膜或是III-V半导体高性能电池要简单得多。
科研人员称,他们将化学的稳定与金属氧化物的廉价这两个优点结合起来,与一个相对简单的硅基薄膜太阳能电池组合到一起,最终获得了一个成本低、稳定性好而功能强大的电池。以德国每平方米600瓦的太阳能量计算,100平方米的该制氢系统在有阳光的一小时内,可以储存3千瓦小时的氢能,供夜晚或阴雨天使用。
专家们将简单的硅基薄膜电池与一层采用钒酸铋的金属氧化物组合起来,起光阳极作用。因为只有金属层与水接触,可以保护敏感的电池免受腐蚀。采用钒酸铋的光阳极从理论上可以使电化学电池的效率达到9%。专家们又借助低成本的磷酸钴催化剂,明显加快了光阳极的氧气形成。最大的挑战是电荷在钒酸铋层的高效分离。尽管金属氧化物有诸多优点,但电荷载流子很容易再结合,继而丧失分解水的功用。科研人员发现,给钒酸铋层添加钨有助于解决问题。钨原子要有最佳分布,由此产生一个可防止再结合的内部电场。做法是将铋、钒和钨溶剂喷涂于热玻璃基板上,使溶剂蒸发。以不同的钨浓度反复喷涂后,最终形成一个约300纳米厚的高效金属活性氧化物层。虽然科研人员尚不能解释,为何钒酸铋有如此好的作用,但可以确定,捕捉到的光子80%以上可得到利用,对于金属氧化物绝对是新纪录。下一步要做的是将此系统扩展到平米规模。

这一发现由《能源和环境科学》杂志刊载。与现有硅太阳能电池不同,这类太阳能电池是以金属氧化物代替硅,把光子转化为电子后,借助电子把水分子分解成氢气和氧气。

这种方法涉及的科学原理并不复杂:首先利用太阳能电池把水分子分解为氧气和氢气,然后在需要时释放上述过程中所储存的化学能,其方式可以是使生成的氧气和氢气重新结合生成水,也可以是在内燃机里燃烧氢气。

来源:科技部

硅太阳能电池无法储存电能,并非常规意义上的“电池”,但如果能在白天借助日照产生电能,以分解水分子的方式储存能量,再在夜间以某种方式“重组”氢气和氧气,用以释放能量,将是理想状态。

这一储能原理早已提出,但如何使其成为高效的工业流程却是一个难题。斯坦福大学一个交叉学科团队表示,他们对上述方法做了三方面改进。首先,他们使用的三结太阳能电池不同于常规硅基太阳能电池。这种太阳能电池由3种不常见半导体材料制成,可以依次吸收太阳光中的蓝光、绿光和红光,将太阳的光能转化为电能的效率提高至39%,而常规硅基太阳能电池的光电转化效率仅为20%左右。

斯坦福大学研究人员在不同温度条件下测试三种金属氧化物,分别是钒酸铋、氧化钛和氧化铁,所获结果超出预想:温度升高时,电子通过这三种氧化物的速率加快,所产生的氢气和氧气量相应增加。而以阳光加热金属氧化物,所产生的氢气可以增加一倍。

其次,研究人员着重改进了用以分解水分子的催化剂,大幅提高了催化效率。除此之外,他们将两个相同的电解装置合并起来同时反应,制备出两倍的氢气,而此前这类方法通常只采用一个电解装置。实验表明,改进后的这种方法的储能效率达到30%,超过了24.4%的行业同类方法最高纪录。

相关文章

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注