Используя квантовые точки (QD) и процесс, называемый генерацией множественных экситонов (MEG), исследователи NREL смогли поднять пиковую внешнюю квантовую эффективность для генерации водорода до 114 процентов. Развитие может значительно увеличить производство водорода из солнечного света за счет использования ячейки для разделения воды с более высокой эффективностью и меньшими затратами, чем современные фотоэлектрохимические подходы.
Подробности исследования изложены в статье Nature Energy Генерация множественных экситонов для фотоэлектрохимических реакций выделения водорода с квантовыми выходами, превышающими 100%, соавторами которых являются Мэтью Бирд, Йонг Ян, Райан Крисп, Цзин Гу, Борис Черномордик, Грегори Пач, Эшли Маршалл. , и Джон Тернер. Все из NREL; Крисп также связан с Колорадской горной школой, а Пах и Маршалл – с Колорадским университетом в Боулдере.
Бирд и другие ученые NREL в 2011 году опубликовали в журнале Science статью, в которой впервые было показано, как MEG позволяет солнечному элементу превышать 100-процентную квантовую эффективность, производя больше электронов в электрическом токе, чем количество фотонов, попадающих в солнечный элемент.
«Основное различие здесь в том, что мы зафиксировали это усиление МЭГ в химической связи, а не только в электрическом токе», – сказал Бирд. «Мы продемонстрировали, что тот же процесс, который создает дополнительный ток в солнечном элементе, может также применяться для получения дополнительных химических реакций или хранения энергии в химических связях."
Максимальная теоретическая эффективность солнечного элемента ограничена тем, сколько энергии фотонов можно преобразовать в полезную электрическую энергию, при этом энергия фотонов, превышающая полосу поглощения полупроводника, теряется на тепло. Процесс MEG использует преимущества дополнительной энергии фотонов для генерации большего количества электронов и, следовательно, дополнительного химического или электрического потенциала, а не для генерации тепла.
КТ, которые представляют собой сферические полупроводниковые нанокристаллы (диаметром 2-10 нм), улучшают процесс МЭГ.
В текущем отчете множество электронов или носителей заряда, которые генерируются в процессе МЭГ в квантовых точках, захватываются и сохраняются в химических связях молекулы H2.
Исследователи NREL разработали ячейку на основе фотоанода квантовых точек сульфида свинца (PbS).
Фотоанод представляет собой слой квантовых точек PbS, нанесенный поверх диэлектрической стопки диоксида титана / легированного фтором оксида олова. Химическая реакция, вызванная дополнительными электронами, продемонстрировала новое направление в исследовании высокоэффективных подходов к солнечному топливу.