瑞士EPFL致力于解决清洁制氢和能量储存双重挑战

时间:2021-09-18 点击:


光电化学水分解制氢效率已达4.5%,离商业化就差临门一脚了

图片来源:洛桑联邦理工学院(EPFL)

太阳能转换为解决能源问题提供了一种有前途的技术,但是设备性能可能会受到限制。研究人员显示,硫氰酸铜(CuSCN)可以协助氧化物光电电极中的空穴传输,并在串联装置中实现4.55%的太阳能转化效率。

用于产生氢燃料的光电化学(PEC)水分解被认为是电化学的圣杯。但是,要实现这一目标,许多科学家认为材料必须丰富且成本低廉。

最有前途的氧化物光电阴极是氧化亚铜(Cu2O)光电电极。在2018年和2019年,EPFL的研究人员使用氧化亚铜取得了卓越的性能,可与基于光伏(PV)半导体的光电阴极相媲美。

但是拼图中仍然缺少一块。即使最先进的氧化亚铜光电阴极仍使用金属背触点(铜或金),从而实现了显著的电子-空穴复合。其他缺点包括高成本,并且金属触点不允许未被吸收的阳光通过。

现在,洛桑联邦理工学院(EPFL)的科学家首次表明,硫氰酸铜可以用作氧化亚铜光电阴极的透明且有效的空穴传输层(HTL),其总体性能得以提高。这项研究由EPFL化学科学与工程学院的Anders Hagfeldt教授,Michael Gr?tzel和Kevin Sivula领导。

对两种类型的硫氰酸铜的详细分析表明,缺陷结构可能有利于空穴传导。此外,由于硫氰酸铜和氧化亚铜的价带之间的重合排列,发现硫氰酸铜可以在有效地阻挡电子传输的同时允许平滑的空穴传导。

光电化学水分解制氢效率已达4.5%,离商业化就差临门一脚了

结合硫氰酸铜和氧化亚铜的光电阴极配置示意图。从上至下二氧化钛,氧化镓,氧化亚铜,硫氰酸铜,金,导电玻璃。

通过独立的PEC-PV串联可进一步展现硫氰酸铜的光学优势,其太阳能制氢的效率为4.55%。目前,该效率(4.5%,持续12小时)在所有基于氧化亚铜的串联双吸收器中是最高的。

该研究提出的氧化亚铜光电阴极具有明显而且令人印象深刻的进步,这可以为该领域做出贡献并激发未来的发展。

该论文的第一作者Pan Lingfeng说:“尽管在这项工作中使用新材料达到目前最高转换率,但我们认为更高的转换率并不遥远。至少发现了三个方面不是最佳的,改善它们是非常可行的。效率值越来越接近以前被认为是商业化门槛的那个。”

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