Forskarnas lösning – så blir sol-till-vätgascellen stabil och effektiv
Så här tänker sig forskarna att de vätgasproducerande systemen ska installeras i framtiden.UNIST
Sol och vatten in – grön vätgas ut. Nu har en forskargrupp hittat ett sätt att skala upp perovskit-tekniken utan att offra livslängd eller verkningsgrad.
Grön vätgas pekas ut som en viktig lösning på klimatutmaningen. Men då måste den förnybara vätgasen kunna produceras i stor skala till ett rimligt pris. Det försöker forskare vid sydkoreanska Unist, Ulsan National Institute of Science and Technology, uppnå med en ny metod för att tillverka vätgas utifrån vatten och solljus – utan någon extern elektrolysör.
Det rör sig om ett fristående och soldrivet system, baserat på perovskit, som spjälkar vatten till beståndsdelarna väte och syre. Den typen av system kallas fotoelektrokemisk sol-till-vätgas-cell, PEC STH (photoelectrochemical solar-to-hydrogen cell på engelska).
Perovskit känsligt för ljus och fukt
Tidigare försök att utveckla sådana celler har ofta haft stabila metalloxider som elektrodmaterial. Haken är att verkningsgraden då blir för låg när tekniken skalas upp. För att öka produktionen har olika forskargrupper i stället försökt använda perovskit, ett material som länge har setts som ett lovande alternativ till vanliga kiselsolpaneler.
Perovskitens styrka är att ljus med hög energi, uv-ljus och synligt ljus, mer effektivt kan omvandlas till elektrisk energi jämfört med kiseltekniken. En stötesten är att perovskitceller har sämre stabilitet och därmed kortare livslängd. Stabilitet försämras ytterligare om materialet utsätts för fukt och ljus, något som är ett uppenbart problem i en tillämpning som går ut på att spjälka vatten med ljus.
Den perovskitbaserade cellen drivs av ljus och spjälkar vatten till vät- och syrgas.(tv) . Tekniken skalas upp genom att bilda matriser av mindre celler.UNIST
Den koreanska forskargruppen lösning är att använda uv-ljusbeständig jodidbaserad perovskit (FAPbI3) till fotoanoden. Sedan kapslar de in materialet med en 30 mm tjock nickelfolie belagd med en katalysator (NiFeOOH), som skyddar perovskiten mot vatten och samtidigt främjar spjälkningen.
Annons
Först tillverkade de små vätgasproducerande celler i labbskala. De visade sig vara stabila, och forskarna uppmätte en så kallade STH-verkningsgrad (solar to hydrogen) om 9,89 procent. Utbytet räknat från solenergi till vätgas är därmed nära de 10 procent som enligt forskarna krävs för att tekniken ska vara kommersiellt intressant. Detta har de beskrivit i en tidigare artikel, där de bland annat jämför med att spjälka vatten med hjälp av fristående solpaneler och extern elektrolysör.
Bygger matriser
Nästa utmaning blev att skala upp tekniken.
– Med andra ord: att behålla den höga verkningsgraden hos labbcellerna, som är mindre än 1 kvadratcentimeter, till större tillämpningar, en kvadratmeter, säger professor Jae Sung Lee till Tech Xplore.
De valde ett modulbaserat koncept där mindre PEC STH-system byggdes ihop i en matris för att bilda större enheter. Enligt forskarna bevarades en verkningsgrad på 8,5 procent, medan systemet behöll sin goda stabilitet. Resultaten har presenterats i den vetenskapliga tidskriften Nature Energy.
Nu siktar forskargruppen på att vässa verkningsgraden och stabiliteten ytterligare.
– Vi ser fram emot att kunna demonstrera ett produktionssystem för vätgas i pilotskala under naturligt solljus med vår teknik, säger professor Jae Sung Lee till Tech Explore.
