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(yuǎn)向前邁進(jìn)，但為了更高的準(zhǔn)確性，有時(shí)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(shí)驗(yàn)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(jì)錄。

今年早些時(shí)候，NREL團(tuán)隊(duì)(James Young，Myles Steiner，HenningDöscher，Ryan France，John Turner和Todd Deutsch)公布了其創(chuàng)紀(jì)錄的研究成果 - 其中太陽能轉(zhuǎn)氫效率達(dá)到16.2%自然能源雜志。這是紀(jì)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(shí)驗(yàn)室擔(dān)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(zhǔn)備好在未來實(shí)現(xiàn)廉價(jià)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(dāng)太陽光照射到浸沒在酸性電解質(zhì)中的光伏(PV)電池時(shí)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(jì)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(gè)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(yùn)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(diǎn)。” 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(dāng)時(shí)沒有標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行認(rèn)證測試的實(shí)驗(yàn)室之一，我們想知道如何開發(fā)可認(rèn)證的太陽能到氫氣效率測量的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，”特納補(bǔ)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(tuán)隊(duì)致力于為PEC設(shè)備開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)實(shí)驗(yàn)室都報(bào)告了效率的夸大價(jià)值。在進(jìn)行更準(zhǔn)確的測量之前，我們需要解決這些錯(cuò)誤，并向社區(qū)傳播標(biāo)準(zhǔn)化的測量方法。”

仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)原始實(shí)驗(yàn)已被過度照明，部分原因是該團(tuán)隊(duì)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(shí)際照明面積大于計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)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(gè)基準(zhǔn)設(shè)施在全球得到認(rèn)可，但作為致力于能源部可再生能源研究的國家實(shí)驗(yàn)室，以及標(biāo)準(zhǔn)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(jì)錄

NREL繼續(xù)提高串聯(lián)電池水分解效率，今年早些時(shí)候在Nature Energy中報(bào)告的新記錄是在對太陽能電池的另一次改造的幫助下實(shí)現(xiàn)的。NREL已經(jīng)對20世紀(jì)90年代末開發(fā)的串聯(lián)電池Turner進(jìn)行了改進(jìn)，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?yàn)樗啥鄬拥怪蒙L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(hù)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(tuán)隊(duì)不僅能夠超越特納修訂后的9.3%的記錄，而且能夠超越當(dāng)時(shí)的世界紀(jì)錄：2015年由國際研究團(tuán)隊(duì)報(bào)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(jì)錄仍為16.2%，使用最新更新，更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化測量進(jìn)行驗(yàn)證。

氫經(jīng)濟(jì)

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(gè)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(gè)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(gè)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(dāng)量不到4美元(1千克氫氣是相當(dāng)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(gè)障礙：穩(wěn)定性

一個(gè)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(yán)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(yán)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(gè)小時(shí)。”

“如果你能使這個(gè)過程發(fā)揮作用并滿足某些指標(biāo) - 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(biāo)很難實(shí)現(xiàn)。我們已經(jīng)達(dá)到了效率，但我們遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們需要實(shí)現(xiàn)的生命周期和成本指標(biāo)，因此該領(lǐng)域的研究仍在繼續(xù)。”