在開發(fā)技術(shù)數(shù)十年后 NREL創(chuàng)造了新的太陽能

創(chuàng)新永遠向前邁進，但為了更高的準確性，有時需要向后退一小步。重新審視以前的太陽能到氫氣的研究使得能源部國家可再生能源實驗室(NREL)的科學(xué)家們能夠提高直接將太陽光轉(zhuǎn)化為氫氣的新工藝的效率，并重新獲得1998年在NREL首次創(chuàng)造的世界紀錄。

今年早些時候，NREL團隊(James Young，Myles Steiner，HenningDöscher，Ryan France，John Turner和Todd Deutsch)公布了其創(chuàng)紀錄的研究成果 - 其中太陽能轉(zhuǎn)氫效率達到16.2%自然能源雜志。這是紀念NREL成立40周年的合適方式：作為創(chuàng)造初始記錄的研究員，特納自成立之初就一直在實驗室擔任太陽能研究所，這一切都是為了利用太陽。

特納利用光電化學(xué)(PEC)水分解技術(shù)創(chuàng)造了1998年的記錄，該技術(shù)目前尚處于早期階段，現(xiàn)在已準備好在未來實現(xiàn)廉價和可持續(xù)的氫氣生產(chǎn)。

PEC系統(tǒng)通過直接注入電子來操作，當太陽光照射到浸沒在酸性電解質(zhì)中的光伏(PV)電池時產(chǎn)生電子，從而為水電解反應(yīng)提供動力。特納在PEC的早期成功依賴于20世紀90年代初在NREL開發(fā)的串聯(lián)太陽能電池技術(shù)。串聯(lián)電池使用兩個半導(dǎo)體來捕獲更多撞擊它的光，從而產(chǎn)生反應(yīng)所需的更高電壓。特納改造了電池，以便在水分解環(huán)境中運行。

特納說：“你不是通過電線將電流和電線連接到電解槽中，而是將電解槽直接集成到半導(dǎo)體表面上，你可以用這種方式分水。” “你可以高效率地做到這一點。” 使用這種方法設(shè)定的Turner設(shè)定的12.4%的太陽能 - 氫效率記錄是數(shù)十年來無法比擬的。

“雖然效率很重要，但對我來說最重要的是使用串聯(lián)設(shè)備配置來獲得比以前更高的水分解效率，”特納說。“我將其描述為一種快速而骯臟的測量方法，以顯示該概念的可行性。當時沒有標準化的太陽能到氫氣測量程序，18年后，它們?nèi)匀粵]有正式存在。”

“由于NREL是為數(shù)不多的能夠?qū)夥O(shè)備進行認證測試的實驗室之一，我們想知道如何開發(fā)可認證的太陽能到氫氣效率測量的標準化協(xié)議，”特納補充道。“正如您所預(yù)料的那樣，我們對測量程序的了解越多，我們發(fā)現(xiàn)的誤差來源就越多。測量串聯(lián)光伏太陽能電池很復(fù)雜，測量分水的串聯(lián)甚至更復(fù)雜。” 例如，太陽能電池的環(huán)境條件比使用各種電解質(zhì)和電池幾何形狀的PEC電池更容易建立。

第二次看起來導(dǎo)致記錄修訂

Turner和他的團隊致力于為PEC設(shè)備開發(fā)標準化測量，重新考慮了1998年的研究結(jié)果。

“我們發(fā)現(xiàn)了一些以前使用的方法，以及其他人在現(xiàn)場使用的方法，導(dǎo)致了測量誤差，”NREL資深科學(xué)家和特納門徒Deutsch說。“我們意識到包括我們在內(nèi)的幾個實驗室都報告了效率的夸大價值。在進行更準確的測量之前，我們需要解決這些錯誤，并向社區(qū)傳播標準化的測量方法。”

仔細觀察發(fā)現(xiàn)原始實驗已被過度照明，部分原因是該團隊沒有考慮到將名義上不透明的環(huán)氧樹脂傳輸?shù)酱?lián)電池所傳遞的光線。這使得實際照明面積大于計算中使用的面積。

去年，Young，Döscher，Turner和Deutsch 發(fā)表了一篇能源與環(huán)境科學(xué)論文，將歷史記錄效率從12.4%下調(diào)至9.3%。在該論文中，研究人員確定了開發(fā)PEC設(shè)備和技術(shù)的標準化和有效測試的必要性，以確定太陽能到氫氣生產(chǎn)的效率。此外，他們建議實驗室的任務(wù)是以與NREL和其他人證明太陽能電池效率相同的方式證明這些效率。

“沒有一個基準設(shè)施在全球得到認可，但作為致力于能源部可再生能源研究的國家實驗室，以及標準化光伏測量領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，NREL引領(lǐng)這一努力是有道理的，”Deutsch說。

新的世界紀錄

NREL繼續(xù)提高串聯(lián)電池水分解效率，今年早些時候在Nature Energy中報告的新記錄是在對太陽能電池的另一次改造的幫助下實現(xiàn)的。NREL已經(jīng)對20世紀90年代末開發(fā)的串聯(lián)電池Turner進行了改進，該電池由銦銦磷化物(GaInP 2)組成。)半導(dǎo)體堆疊在砷化鎵(GaAs)之上。這種新型電池被稱為倒置變質(zhì)多結(jié)器件，因為它由多層倒置生長組成，允許研究人員使用銦鎵砷(InGaAs)代替GaAs層，從而大大提高了器件的效率?？茖W(xué)家們還在器件頂部沉積了一層薄薄的磷化鋁銦(AlInP)，然后是第二層薄的GaInP 2。額外的層有助于部分保護半導(dǎo)體免受限制電池壽命的腐蝕性溶液的影響。

使用倒置的變質(zhì)多結(jié)設(shè)備，Deutsch的團隊不僅能夠超越特納修訂后的9.3%的記錄，而且能夠超越當時的世界紀錄：2015年由國際研究團隊報告的效率為14%。 Helmholtz-Zentrum Berlin，TU Ilmenau，F(xiàn)raunhofer ISE和加州理工學(xué)院。

“人們并沒有真正大喊大叫，但人們注意到了，”德意志說。“去年我們獲得了14.3%的成績，盡管這是他們的記錄，但我們不想在我們超過15%的情況下宣布這一消息。” NREL的新PEC 世界紀錄仍為16.2%，使用最新更新，更嚴格的標準化測量進行驗證。

氫經(jīng)濟

據(jù)能源部稱，美國每年生產(chǎn)近1000萬噸氫氣。氫氣用于各種應(yīng)用，包括氨生產(chǎn)，其反過來用于肥料，并且還可用于為燃料電池電動車輛提供動力。一公噸氫氣足以在350英里的行程中發(fā)送200輛燃料電池汽車中的每一輛，但要在一天內(nèi)完成這么多，就需要一個PEC設(shè)備領(lǐng)域。究竟有多少取決于設(shè)備的效率。如果效率為15%，則設(shè)備必須填充五個足球場大小的空間。將效率提高到25%將尺寸要求降低到三個足球場。

尋找具有成本效益的生產(chǎn)氫氣的過程也是特別重要的。能源部希望到2020年氫氣成本降至每汽油加侖當量不到4美元(1千克氫氣是相當于一加侖汽油的能量)。這將使氫燃料汽車在成本上具有競爭力 - 以汽油為燃料的混合動力汽車每英里。

下一個障礙：穩(wěn)定性

一個由PEC制氫的分析，由美國能源部聯(lián)合中心人工光合作用去年在能源與環(huán)境科學(xué)出版，揭示了氫氣的成本也在很大程度上取決于所使用的系統(tǒng)的效率。雖然集成系統(tǒng)可以更高效，但存在一些嚴重的權(quán)衡，主要是在半導(dǎo)體的穩(wěn)定性或壽命方面。Deutsch表示，在嚴苛的PEC環(huán)境中，提高半導(dǎo)體使用壽命的方法是未來研究的關(guān)鍵。“酸基本上會吞噬你的半導(dǎo)體而且它們真的很貴，所以你需要它持續(xù)幾年而不是幾個小時。”

“如果你能使這個過程發(fā)揮作用并滿足某些指標 - 效率，壽命和成本 - PEC可以與蒸汽甲烷重整制氫競爭，”特納說。“問題在于這些指標很難實現(xiàn)。我們已經(jīng)達到了效率，但我們遠遠超出了我們需要實現(xiàn)的生命周期和成本指標，因此該領(lǐng)域的研究仍在繼續(xù)。”