Учени от Мичиганския университет разработиха нов вид слънчеви панели, постигащи 9% ефективност при преобразуването на водата във водород и кислород.
Ако технологията се докаже, това ще бъде решаваща стъпка в постигането на „естествената фотосинтеза“. Това представлява голям скок в технологиите, защото методът е почти 10 пъти по-ефективен от слънчевите експерименти за разделяне на вода от този вид. Но най-голямата полза е намаляването на цената на устойчивия водород.
Това е възможно чрез свиване на полупроводника, обикновено най-скъпата част от устройството. Самовъзстановяващият се полупроводник на екипа издържа на концентрирана светлина, еквивалентна на 160 слънца. Понастоящем хората основно произвеждат водород от изкопаемото гориво метан, като използват много енергия от изкопаеми горива в процеса. Въпреки това, растенията събират водородни атоми от вода, използвайки слънчева светлина.
Докато човечеството се опитва да намали своите въглеродни емисии, водородът е привлекателен както като самостоятелно гориво, така и като компонент в устойчиви горива, произведени с рециклиран въглероден диоксид. По същия начин водородът е необходим за много химични процеси, например за производство на торове.
Зетиан Ми, професор по електротехника и компютърно инженерство в университета в Мичиган, ръководи проучването, цитирано в списание Nature. Ми казва: „В крайна сметка ние вярваме, че устройствата за изкуствена фотосинтеза ще бъдат много по-ефективни от естествената фотосинтеза, което ще осигури път към въглеродна неутралност.“ Изключителният резултат идва от две основни предимства на новата технология. Първото е способността да се концентрира слънчевата светлина, без да се разрушава полупроводникът, който използва светлината.
Пенг Джоу, научен сътрудник в областта на електротехниката и компютърното инженерство, водещ автор на изследването казва: „Ние намалихме размера на полупроводника с повече от 100 пъти в сравнение с някои полупроводници, работещи само при нисък интензитет на светлината. Водородът, произведен от нашата технология, може да бъде много евтин.
Второто предимство на технологията е използването както на по-високата енергийна част от слънчевия спектър за разделяне на водата, така и по-ниската част от спектъра за осигуряване на топлина, която насърчава реакцията. Магията е активирана от полупроводников катализатор, който се подобрява с течение на употребата като се съпротивлява на разграждането, което такива катализатори обикновено изпитват, когато използват слънчевата светлина за задвижване на химични реакции. В допълнение към обработката на висок интензитет на светлината, той може да издържа при високи температури, които са пагубни за компютърните полупроводници.
По-високите температури ускоряват процеса на разделяне на водата, а допълнителната топлина също насърчава водорода и кислорода да останат разделени, вместо да подновяват връзките си и да образуват вода отново.
За експеримент на открито Джоу поставя леща с размерите на прозорец на къща, за да фокусира слънчевата светлина върху експериментален панел с диаметър само няколко инча. В рамките на този панел полупроводниковият катализатор е покрит със слой вода, кипящ от отделените от него газове водород и кислород. Катализаторът е направен от наноструктури от индиев галиев нитрид, отгледан върху силиконова повърхност. Тази полупроводникова пластина улавя светлината, превръщайки я в свободни електрони и дупки – положително заредени празнини, оставени след освобождаването на електрони от светлината. Наноструктурите са осеяни с наномащабни топки от метал, 1/2000 от милиметъра в диаметър, които използват тези електрони и дупки, за да насочат реакцията. Един прост изолационен слой отгоре на панела поддържа температурата на високите 75° по Целзий или 167° по Фаренхайт, достатъчно топло, за да насърчи реакцията, като същевременно е достатъчно хладна, за да може полупроводниковият катализатор да работи добре.
Версията на експеримента на открито, с по-малко надеждна слънчева светлина и температура, постигна 6,1% ефективност при превръщането на енергията от слънцето във водородно гориво. На закрито обаче системата постигна 9% ефективност.
Следващите предизвикателства, с които екипът възнамерява да се справи, са по-нататъшното подобряване на ефективността и постигането на водород с ултрависока чистота, който може да се захранва директно в горивните клетки. Част от интелектуалната собственост, свързана с тази работа, е лицензирана на NS Nanotech Inc. и NX Fuels Inc., в които Ми е съосновател. Университетът на Мичиган и Ми имат финансов интерес и в двете компании.
