استخراج انرژی بیشتر از فوتون در تولید سوخت خورشیدی

پژوهشگران آزمایشگاه انرژی‌های تجدید پذیر دپارتمان ملی انرژی آمریکا (NREL) سلول فتوالکتریک شیمیایی جدیدی توسعه داده‌اند که می‌تواند انرژی فوتون را که معمولا در اثر تولید گرما از دست می‌رود، نگه دارد.

پژوهشگران NREL با استفاده از کوانتوم دات‌ و فرایندی که تولید اکسایتون چندگانه (MEG) نامیده می‌شود، توانستند بیشینه بهره‌وری کوانتوم خارجی هیدروژن را ۱۱۴ درصد افزایش دهند. این دستاورد می‌تواند با استفاده از سلول خورشیدی برای تجزیه‌ی آب با بهره‌وری بالاتر و هزینه‌ی کمتر نسبت به روش‌های فتوالکتریک شیمیایی حاضر، تولید هیدروژن از خورشید را افزایش دهد.

جزییات این پژوهش در مقاله‌ای با عنوان تولید اکسایتون چندگانه برای واکنش‌های انقلابی فتوالکتریک شیمیایی هیدروژن با بازده کوانتومی ۱۰۰ درصد در ژورنال نیچر انرژی منتشر شده است. این مقاله توسط متیو برد، یانگ یان، رایان کریسپ، جینگ جو، بوریس چرنوموردیک، گرگوری پچ، اشلی مارشال و جان ترنر نوشته شده است. همه این افراد اعضای NRELL هستند. البته کریسپ در دانشگاه معدنی کلرادو هم فعالیت می‌کند و پچ و مارشال با دانشگاه بولدر ایالت کلرادو همکاری دارند.

برد و تیم دانشمندان NREL در سال ۲۰۱۱ مقاله‌ای در ژورنال ساینس منتشر کردند و در آن برای نخستین بار نشان دادند که چگونه MEG به یک سلول خورشیدی امکان می‌دهد به بهره‌وری کوانتومی ۱۰۰ درصد دست یابد. این امر با تولید الکترون‌های بیشتر در جریان الکتریکی نسبت به تعداد فوتون‌های وارد شونده به سلول انجام می‌شود. برد می‌گوید:

تفاوت اصلی در اینجا در این است که ما بهبود MEG را به‌جای جریان الکتریکی در پیوند شیمیایی انجام دادیم. ما نشان دادیم همان روندی که جریان اضافه را در سلول خورشیدی تولید می‌کند، می‌تواند برای تولید واکنش‌های شیمیایی اضافه یا انرژی ذخیره‌شده در پیوندهای شیمیایی به کار برده شود.

بهره‌وری تئوری بیشینه‌ی یک سلول خورشیدی با میزان تبدیل انرژی فوتون به انرژی الکتریکی قابل استفاده محدود می‌شود. فرایند MEG از انرژی اضافه‌ی فوتون استفاده می‌کند تا الکترون‌های بیشتری تولید کند و در نتیجه به‌جای تولید گرما، پتانسیل شیمیایی یا الکتریکی بیشتری تولید کند. کوانتوم دات‌ها که در واقع نانوکریستال‌های کروی نیمه‌رسانا (قطر ۲ تا ۱۰ نانومتر) هستند، فرایند MEG را تقویت می‌کنند.

در این گزارش، الکترون‌های چندگانه یا حامل‌های بار که از طریق فرایند MEG در کوانتوم دات‌ها تولید می‌شوند، در پیوندهای شیمیایی مولکول H2 ذخیره می‌شوند.

پژوهشگران NREL، سلولی بر مبنای فوتوآند کوانتوم دات سرب سولفید ساختند. فوتوآند شامل لایه‌ای از کوانتوم دات‌های سرب سولفید است که بالای لایه‌ی دی‌الکتریکِ تیتانیوم دی‌اکسید/فلوئور ترکیب‌شده با اکسید قلع قرار گرفته است. واکنش شیمیایی انجام‌شده توسط الکترون‌های اضافه راهی جدید در بررسی‌های رویکردهای پربازده سوخت‌های خورشیدی گشوده است.