Ученые из Национальной Лаборатории возобновляемых источников энергии (National Renewable Energy Laboratory, NREL) американского Министерства энергетики (Department of Energy, DOE) установили новый мировой рекорд эффективности получения водорода за счет прямого использования солнечной энергии. Этот рекорд, полученные при помощи технологии фотоэлектрохимического процесса расщепления воды, составил 16.2 процента, а предыдущий рекорд, установленный в 2015 году международной группой ученых, составлял 14 процентов.
Фотоэлектрохимические преобразовательные ячейки, при помощи которых был установлен рекорд эффективности, являются модернизированным вариантом ячеек, разработанных группой Джона Тернера (John Turner) в 1990-х годах в стенах лаборатории NREL. И в старых и в новых ячейках используются многослойные структуры, изготовленные из тандемных полупроводниковых материалов, погруженные в раствор кислотного электролита. В отличие от оригинального устройства, изготовленного преимущественно из фосфида индия-галлия (GaInP2), слой которого был выращен поверх слоя арсенида галлия (GaAs), новая ячейка имеет зеркально перевернутую структуру.
Такие изменения структуры позволили исследователям заменить некоторые из слоев арсенида галлия слоями арсенида галлия-индия. Кроме этого, в структуру новой ячейки был введен дополнительный верхний слой фосфида алюминия-индия (AlInP), предназначением которого являлось устранение возникающих при производстве дефектов поверхности, которые снижают эффективность ячейки и уменьшают ее рабочий ресурс.
Следует отметить, что использование многослойных полупроводников является новым и перспективным способом прямого расщепления воды при помощи только энергии солнечного света. Другие методы, в которых используется энергия солнечного света, используют солнечные батареи для получения электричества, которое подается в устройство электрохимического расщепления воды, в электролизер. За счет многократного преобразования энергии эффективность самых лучших таких систем не превышает 12 процентов, а эффективность даже самого первого устройства прямого "солнечного" расщепления воды на кислород и водород, сразу составила 12.4 процента.
И в заключении следует отметить, что данные работы были проведены учеными в рамках проекта американского Министерства энергетики, конечной целью которого является получение водорода при помощи экологически чистой энергии по стоимости не более двух долларов за килограмм. И даже с учетом новой рекордной эффективности новые ячейки не соответствуют всем установленным Министерством критериям и требованиям. Кроме этого, новая конструкция солнечных водородных ячеек еще не обеспечивает того уровня надежности и долговечности, который требуется для практического их использования для получения водородного топлива. Но ученые из NREL активно продолжают работы по указанным направлениям и, вполне вероятно, что им удастся в будущем найти подходящие решения если не всех, то большинства из перечисленных выше проблем.