太阳能如何储存，以便在阳光普照或不闪光的任何时间，白天或黑夜都可以使用?EPFL科学家正在开发一种技术，可以将光能转化为具有中性碳足迹的清洁燃料：氢。配方的基本成分是水和金属氧化物，例如氧化铁，更好地称为锈。Kevin Sivula及其同事故意将自己局限于廉价的材料和易于扩展的生产工艺，以实现经济可行的太阳能氢生产方法。仍在实验阶段的设备在Nature Photonics杂志上发表的一篇文章中有所描述。
将太阳能转化为氢气的想法并不是一个新概念; 研究人员已经研究了四十多年。20世纪90年代，EPFL加入了MichaëlGrätzel的研究。他与日内瓦大学的一位同事一起发明了光电化学(PEC)串联太阳能电池，这是一种直接从水中生产氢的技术。他们的原型共享相同的基本原理：染料敏化太阳能电池 – 由MichaelGrätzel发明 – 与氧化物基半导体相结合。
该设备完全独立。产生的电子用于分解水分子并将碎片重整为氧气和氢气。在相同的液体中，装置中的两个不同的层具有在被光刺激时产生电子的作用; 氧化物半导体，其进行析氧反应，和染料敏化细胞，其释放氢。
最贵的部分?玻璃板
该团队的最新原型专注于解决PEC技术的主要突出问题：成本。“团队成功实现了12.4%的令人印象深刻的效率，”Sivula说。“从理论的角度来看，该系统非常有趣，但使用它们的方法，生产10平方厘米的表面将花费10,000美元。”
因此，科学家们从一开始就设定了一个限制 – 只使用经济实惠的材料和技术。这不是一件容易的事，但他们设法完成了。“我们设备中最昂贵的材料是玻璃板，”Sivula解释道。效率仍然很低 – 介于1.4%和3.6%之间，具体取决于所使用的原型。但该技术潜力巨大。“凭借我们基于氧化铁的较便宜的概念，我们希望能够在几年内实现10%的效率，每平方米不到80美元。按照这个价格，我们将与传统的制氢方法竞争“。
进行析氧反应的半导体只是氧化铁。“它是一种稳定而丰富的材料。它不会再生锈了!但它是最糟糕的半导体之一，”Sivula承认。
硅增强纳米生锈
这就是为什么团队使用的氧化铁比你在旧钉子上发现的更加发达。纳米结构，用氧化硅增强，覆盖有纳米薄的氧化铝和氧化钴层 – 这些处理优化了材料的电化学性能，但仍然易于应用。“我们需要开发简单的制备方法，例如可以浸渍或涂抹材料的方法。”
该装置的第二部分由染料和二氧化钛组成 – 染料敏化太阳能电池的基本成分。该第二层使得由氧化铁转移的电子获得足够的能量以从水中提取氢。
潜力巨大 – 高达16%
Nature Photonics论文中的结果代表了性能的突破，这是由氧化铁和染料敏化二氧化钛研究的最新进展所促成的，并且这两种技术正在迅速发展。Sivula预测，串联电池技术最终将能够使用氧化铁达到16%的效率，同时仍然保持低成本，这毕竟是该方法的吸引力。通过使得可以廉价地存储太阳能，在EPFL开发的系统可以显着增加太阳能作为未来可行的可再生能源的潜力。