Highly efficient water splitting by a dual-absorber tandem cell

DrukujDrukujPDFPDF

Artykuł opublikowany w Nature Photonics opisuje działanie ogniwa słonecznego produkującego wodór w wyniku foto-elektrolizy wody.  Jest to tak zwane ogniwo tandemowe złożone z foto-elektrolizera wody i z zasilającego go ogniwa słonecznego.  Kluczowym elementem foto-elektrolizera jest cienkowarstwowa fotoanoda z tlenku wolframu (WO3) opracowana przez nasz zespół, która, w połączeniu z katodą metaliczną, umożliwia rozkład wody pod wpływem światła słonecznego.  Idealnym rozwiązaniem, wciąż bardzo odległym od realizacji, byłby foto-elektrolizer działający bez dodatkowego źródła zasilania.  W przypadku fotoanody z WO3 minimalne napięcie zewnętrzne, przy którym następuje rozkład wody, wynosi około 0,6 Volta czyli ponad dwukrotnie mniej niż w przypadku klasycznej elektrolizy.  W ogniwie tandemowym rolę dodatkowego źródła zasilania spełnia tak zwane barwnikowe foto-woltaiczne ogniwo słoneczne, ustawione za foto-elektrolizerem, i wykorzystujące tą samą wiązkę światła słonecznego.  W praktyce fotoanoda z WO3 osadzona na szkle przewodzącym pochłania część wysoko energetyczną promieniowania słonecznego (nadfiolet i światło niebieskie), przepuszczając jego pozostałą część (światło żółte i czerwone), którą wykorzystuje barwnikowe ogniwo słoneczne.  Koncepcja takiego ogniwa tandemowego została kilka lat temu opatentowana wspólnie przez prof. Michaela Graetzela z Politechniki w Lozannie i prof. Jana Augustyńskiego.  Pomiary opisane w Nature Photonics stanowią pierwszy „proof of concept”ogniwa tandemowego, łączącego foto-elektrolizer i jednozłączowe ogniwo słoneczne, w którym odnawialny nośnik energii – wodór jest wytwarzany pod wpływem światła słonecznego.  Opublikowana praca jest wynikiem współpracy pomiędzy naszym zespołem z Uniwersytetu Warszawskiego i laboratorium z Politechniki w Lozannie w ramach projektu europejskiego NanoPEC, poświęconego opracowaniu nowych materiałów nano-strukturalnych do foto-elektrochemicznej konwersji energii.  Akronim NanoPEC wskazuje na kluczową rolę jaką przy otrzymywaniu tego typu materiałów odgrywa nanotechnologia.  Zarówno fotoanody z WO3, nad którymi pracuje dr Renata Solarska jak i elektrody z tlenku tytanu stosowane w ogniwie barwnikowym złożone są z cząstek o wymiarach od kilkunastu do kilkudziesięciu nanometrów.  W obu przypadkach nanocząstki tlenków tworzą warstwy porowate o grubości od kilku do kilkunastu mikrometrów i wysokiej powierzchni aktywnej.  Systematyczne badania potwierdziły, że w odróżnieniu od różnych układów półprzewodnikowych stosowanych uprzednio do foto-elektrolizy wody, obydwa elementy obecnego ogniwa tandemowego nie ulegają degradacji i, co jest niesłychanie istotne, wytwarzane są tanimi metodami.  Na obecnym etapie prowadzone przez nas prace wpisują się wciąż w nurt badań podstawowych.  Prawdopodobnie pierwszym komercyjnym zastosowaniem fotoanod z WO3 może okazać się prowadzone przy oświetleniu słonecznym foto-utlenianie ścieków organicznych połączone z produkcją wodoru na katodzie.  Stosowana do tego obecnie klasyczna elektroliza jest niezwykle energochłonna i mało wydajna.

Jeremie Brillet, Jun-Ho Yum, Maurin Cornuz, Takashi Hisatomi, Renata Solarska, Jan Augustynski, Michael Graetzel and Kevin Sivula

doi:10.1038/nphoton.2012.265

Pełna treśc artykułu jest dostępna pod adresem: http://www.nature.com/