УДК 535.217

Грудцын А.Д.¹ , Миланич А.И. ^1,2

¹Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

²Московский физико-технический институт (государственный университет)

Электрогальванические и фотолизные преобразователи солнечной энергии.

В 1972г. в журнале Nature была опубликована статья японских авторов А. Фудзисимы и Д.Хонды [1], в которой был впервые реализован метод получения водорода при разложении воды светом (фотолиз воды). Установка включала фотоанод из диоксила титана (TiO₂) и инертный катод из платины (Pt), помещенные в раствор электролита. При освещении полупроводникового электрода в цепи возникает ток, направленный от инертного катода к аноду из TiO₂, при этом на платиновом электроде происходило выделение водорода, а на электроде из TiO₂ выделялся кислород. Фотолиз воды и солнечные батареи [2, 3] – это два наиболее перспективных метода преобразования солнечной энергии, каждый из которых обладает своими преимуществами и недостатками.

С момента публикации первой статьи по фотолизу воды прошло более 40 лет. За это время фотолиз воды исследовался во многих работах (ссылки на некоторые можно найти в [4]). Но некоторые аспекты фотолиза и происходящих при этом электрохимических процессов остаются недостаточно изученными.

Из закона сохранения энергии следует, что для генерации электронно-дырочных пар в объеме полупроводника энергия кванта должна быть не меньше ширины запрещенной зоны полупроводника. Та часть энергии кванта, которая превышает эту величину, равная , расходуется бесполезно [4, 5]. Зная спектральный состав источника света, можно найти эту долю энергии и таким образом рассчитать КПД преобразования. В работе [5] исследовался вопрос о зависимости КПД отв предположении, что спектр излучения Солнца за пределами атмосферы описывается спектром абсолютно черного тела, а атмосфера пропускает узкий участок спектра, соответствующий длинам волн от 300нм до 2.5мкм. Рассчитанный таким образом КПД теоретически может превышать 45% при ширине запрещенной зоны 1.1-1.2 эВ, но для протекания реакции разложения воды необходимо, чтобы ширина запрещенной зоны была не меньше изменения энергии Гиббса реакции (для разложения воды на H₂ и O₂ эта величина составляет 1.23 эВ). Это свидетельствует о хорошем согласовании параметров фотолиза с параметрами ячейки. На практике различные потери в ячейке [4] значительно уменьшают ее эффективность.

Значительное количество экспериментальных результатов получено для источников света, спектральный состав которых отличен от солнечного (например, УФ-диапазона, где за счет использования более высокоэнергетических квантов КПД получается выше, чем при облучении солнечным светом).

В августе 2004г. английская фирма Hydrogen Solar объявила о создании устройств, позволяющих разлагать воду на водород и кислород с КПД 8%. Примененная технология носит название tandem cell. Используются две электрически связанные ячейки, одна из которых воспринимает коротковолновую (от синего до УФ-диапазона), другая – длинноволновую (от зеленого до красного) области спектра. Достижение такой эффективности является значительным прорывом в фотоэлектрохимических методах преобразования солнечной энергии. Стоит отметить, что разработанные к настоящему времени фотолизные элементы совершенствуются как за счет новых технологий изготовления полупроводникового электрода, так и за счет применения новых подходов к устройству самой схемы элемента (сочетание двух фотоэлектродов в ячейке, сочетание двух фотоячеек, как в системе Hydrogen Solar, и т. д.). Поэтому в ближайшие годы следует ожидать новых результатов в направлении повышения реального КПД.

Выпускаемые к настоящему времени промышленностью солнечные батареи [2, 3] имеют КПД 9 – 24%, а стоимость произведенной электроэнергии составляет 0.25$ за кВт·ч. Несмотря на то, что по эффективности фотоэлектрохимические ячейки пока проигрывают, фотолиз воды обладает рядом важных преимуществ.

Поскольку любые устройства преобразования солнечной энергии имеют очевидное ограничение работы в светлое время суток (не работают в ночное время), то возникает необходимость в устройствах хранения выработанной энергии. В случае использования солнечных батарей для хранения необходимо применять аккумуляторы, которые изначально имеют ограничения по циклам зарядка-разрядка (не более 500-1000 циклов для литий-ионных аккумуляторов). Следствием этого является ограничение срока службы и необходимые затраты на их утилизацию. Существуют и иные подходы к накоплению энергии, например, в Швейцарии электрическую энергию в ночные часы, предполагается аккумулировать в виде потенциальной энергии воды, закачивая воду в водоем гидроэлектростанции. Таким образом, накопитель энергии является неотъемлемым спутником солнечных батарей.

Фотолиз воды естественным образом решает проблему хранения энергии, т. к. собранный водород может сколь угодно долго храниться в баллонах. Помимо этого, водород представляется идеальным экологически чистым топливом, не загрязняющим окружающую среду вредными продуктами сгорания. Более того, некоторые современные автомобили используют водород как альтернативное топливо, что свидетельствует о наличии технологий безопасного хранения водорода.

Выводы

Таким образом, предложенный в 70-е г. XXв. метод получения водорода путем прямого разложения воды обладает рядом важных с практической точки зрения преимуществ по сравнению с традиционными методами аккумулирования энергии. В первую очередь это возможность получение топлива, отсутствие необходимости применения недолговечных элементов (аккумляторных батарей). К недостаткам можно отнести низкий (по сравнению с кремниевыми и иными фотоэлементами) КПД, который является главным фактором, ограничивающим промышленное внедрение подобных устройств.

Литература

1. Fujishima, A., Honda, K. Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode. – Nature. – 1972. – С. 237 – 238.

2. Солнечная батарея // wikipedia.org/wiki/Солнечная_батарея

3. Алфёров Ж. И., Андреев В. М., Румянцев В. Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики. – Физика и техника полупроводников, 2004. – Т. 38. – С. 937 – 948.

4. Плесков Ю. В. Фотоэлектрохимическое преобразование солнечной энергии. – М.: Химия, 1990. – 176 с.

5. Миланич А. И, Грудцын А. Д. Определение КПД фотолиза воды солнечных элементов // Труды 54 научной конференции МФТИ, Общая и Прикладная Физика, ФОПФ, Москва – Долгопрудный – Жуковский. – 2011. – С. 95 – 97.