Новое семейство материалов для производства возобновляемого водорода на солнечной энергии

Использование водорода в качестве энергоносителя для производства электроэнергии и тепла по запросу является почти идеальным решением для хранения энергии в контексте борьбы с глобальным потеплением и устойчивого развития, для бытовых нужд, на транспорте или в больших масштабах в производстве энергии. растения.

Фактически, в сочетании с кислородом воздуха водород позволяет производить тепловую или электрическую энергию без каких-либо загрязняющих выбросов (в основном воды). Так обстоит дело, например, в топливных элементах, используемых в транспортных средствах с водородным двигателем, которые объединяют водород и кислород для производства электрического тока и питания электродвигателя.

Однако используемый в настоящее время водород в основном производится из ископаемого топлива, и поэтому необходимо найти другие методы производства с низким содержанием углерода. Одна из возможностей — использовать солнечную энергию непосредственно для производства водорода из воды в фотоэлектрохимических элементах. Эти элементы состоят из фотоэлектродов, своего рода солнечных элементов, погруженных непосредственно в воду, которые позволяют собирать солнечную энергию и использовать эту энергию для разрушения молекул воды с образованием молекул водорода и д. ‘кислорода.

Новый подход

Это подход, выбранный нашим консорциумом, состоящим из ученых из Ренна, Николя Бертру и Йоана Леже (Институт FOTON-CNRS, INSA Ренна) и Бруно Фабра (Институт химических наук Ренна – CNRS, Университет Ренна 1), и в сотрудничестве с членами Института физики Ренн-CNRS в Университете Ренна 1.

в работа только что опубликована в журнале Передовая наука, мы предлагаем использовать новое семейство материалов с весьма удивительными фотоэлектрическими свойствами для эффективного производства солнечного водорода с низкими затратами и воздействием на окружающую среду. Это предложение сопровождается несколькими демонстрациями фотоэлектродов, работающих при солнечном освещении.

Полупроводники — это материалы, обладающие промежуточными свойствами между электрическими проводниками (чаще всего металлами) и изоляторами. Эти свойства можно использовать, например, для того, чтобы пропускать или не пропускать электрический ток по требованию, как в случае с кремнием, распространенным и недорогим материалом, составляющим основу всех современных электронных микросхем.

Но их также можно использовать для излучения или поглощения света, как в случае так называемых полупроводников «III-V», которые используются в широком диапазоне применений, от лазерных излучателей или светодиодов и других оптических датчиков до фотогальванические солнечные элементы для аэрокосмической отрасли. Их называют «III-V», потому что они состоят из одного или нескольких элементов из столбца III и столбца V периодической таблицы Менделеева.

Если эти материалы «III-V» очень эффективны, то они и дороже. Именно в этом контексте многие исследователи с 1980-х годов пытались наносить очень тонкие слои этих материалов на кремниевые подложки для получения высоких оптических характеристик, необходимых, например, для гарантии хорошего поглощения излучения в солнечном элементе или для обеспечения эффективное излучение света в лазере, тем самым резко снижая стоимость производства и воздействие на окружающую среду разработанных компонентов.

Одна из основных проблем этого подхода была связана с появлением кристаллических дефектов в полупроводниковом материале, то есть наличием одного или нескольких атомов, плохо расположенных по отношению к совершенно правильному расположению, которое атомы кристалла должны иметь в идеале. . Следствием этого является ухудшение характеристик лазеров или солнечных элементов, разработанных таким образом, и именно поэтому усилия исследователей были сосредоточены в основном на уменьшении или устранении этих дефектов.

И наоборот, наша группа продемонстрировала, что эти неоднородности в кристалле, обычно считающиеся дефектами, обладают очень оригинальными физическими свойствами (включения металлического характера), которые можно эффективно использовать для производства солнечного водорода и для других фотоэлектрических применений.

Удивительные свойства

Таким образом, наша работа показывает, что наличие антифазных стенок (на иллюстрации использована аббревиатура «АФБ»), представляющих собой очень специфические кристаллические дефекты, локально инвертирующие расположение атомов, в материалах AIIIBV, нанесенных на кремний, придает им весьма заметные свойства. и беспрецедентные физические свойства. В частности, мы показываем, что эти стенки локально (в атомном масштабе) ведут себя как металлические включения в материале, который сам является полупроводником.

(Слева): Схематическое изображение фотоэлектрода, состоящего из тонкого слоя (обычно 1 мкм) полупроводника III-V (розовый) и кремниевой подложки (фиолетовый), который можно использовать в качестве анода или катода. (Справа): полученные образцы (вверху) имеют площадь поверхности около 20 см² и используются для производства фотоэлектродов (внизу), используемых для фотоэлектрохимии.
Автор предоставил

Это позволяет материалу быть как фотоактивным (поглощение света и преобразование в электрические заряды), так и локально металлическим (перенос электрических зарядов). Еще более удивительно, что материал может проводить как положительные, так и отрицательные заряды (амбиполярный характер). В этой работе представлено доказательство концепции путем реализации нескольких фотоэлектродов III-V/Si (см. фотографии на прилагаемом рисунке) для производства солнечного водорода с характеристиками, сравнимыми с лучшими фотоэлектродами III-V. электродов, но с гораздо более низкой себестоимостью производства и воздействием на окружающую среду из-за использования кремниевой подложки.

На данный момент эти образцы позволили производить водород в масштабах лабораторной ячейки, но представляется возможным представить, что если стабильность этих материалов улучшится, в будущем их можно будет использовать в качестве субстрата для преобразование солнечной энергии в водород в большем масштабе.

Новые свойства для новых приложений

В этом исследовании демонстрация фотоэлектродов для производства солнечного водорода позволяет, с одной стороны, лучше понять свойства материала, а с другой стороны, подтвердить его применение в функциональной системе. Но, помимо этого продемонстрированного применения, внутренние свойства этого нового семейства материалов, которые могут быть разработаны довольно просто, также позволяют предусмотреть множество других применений. Способность материала эффективно преобразовывать свет в электрические заряды делает его, например, предпочтительным кандидатом для фотогальванических солнечных элементов или оптических датчиков. Его свойства переноса электрического заряда и анизотропной проводимости могут быть использованы для электроники и квантовых вычислений. Наконец, физические явления, связанные со светом и электрическим током, происходящие в нанометрическом масштабе, этот материал также можно рассматривать для рассмотрения новых интегрированных фотонных архитектур.

Leave a Comment

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.