Pristop, ki so ga razvili v Berkeley Lab, bi lahko bil osnova do postopkov za proizvodnjo bolj stabilnih in učinkovitih fotosistemov. Znanstvenikom je uspelo na nivoju atomsko obsegu razviti kemijskih lastnosti ločenega katalizatorja za razkroj vode za integracijo s sončno celico, rezultati glede stabilnosti in učinkovitosti umetne fotosinteze pa so zelo spodbudni.
Raziskava prihaja iz centra za umetno fotosintezo (JCAP), ki je bila ustanovljena leta 2010 za raziskave in razvoj stroškovno učinkovit način za pretvorbo sončne svetlobe, vode in ogljikovega dioksida v gorivo. JCAP sicer vodi kalifornijski inštitut za tehnologijo, laboratorij Berkeley Lab pa je njihov pomembnejši partner.
Cilj te raziskave je bil najti pravo ravnovesje med nasprotujočimi si potrebami po učinkoviti pretvorbi energije in kemično občutljivimi elektronskimi komponentami za razvoj donosnega sistema umetne fotosinteze, ki bi proizvajal čisto gorivo.
Iskanje pravega ravnovesja
“Da bi za umetno fotosistemu lahko preživel, moramo imeti možnost da ga enkrat izdelamo, nekje uporabimo in da potem traja 20 ali še več let, ne da bi bilo potrebno karkoli popravljati,” je dejal glavni raziskovalec te študije, gospod Ian Sharp, vodja integracije materialov in znanstvenih raziskav glede vmesnikov na JCAP.
Težava je v tem, da so aktivna kemične okolja, ki so potrebna za umetno fotosintezo, zelo škodljiva za polprevodnike, ki se uporabljajo za zajemanje sončne energije in napajanje naprave.
“Dobre zaščitne plasti so goste in kemično neaktivne. To je povsem v nasprotju z značilnostmi učinkovitega katalizatorja, ki pomaga razkrojiti vodo za shranjevanje energije svetlobe v kemično obliko,” je dejal Sharp, ki je obenem tudi znanstvenik na oddelku za kemijske znanosti laboratorija Berkeley Lab. “Najbolj učinkoviti katalizatorji naj bi bili prepustni in s tem omogočali enostavno pretvorbo iz ene faze v drugo. Te vrste materiala pa običajno prištevamo med slabšo izbiro v zvezi z zaščito elektronskih komponent. “
S takšno konstrukcijo natančnega filma na nivoju atomov, da podpira kemične reakcije, ne da bi pri tem poškodovali občutljiv polprevodnik, so raziskovalci uspeli zadovoljiti nasprotujočim si potrebam v umetnih fotosistemih.
“S tem smo dosegli ključne vidike našega dela,” je dejala doktorica Jinhui Yang, ki je sicer glavni avtor študije in ki je vodila delo kot po-doktorska raziskovalka na JCAP. “Odločili smo se, da katalizator nekako »zavijemo« v zaščitno oblogo, ki uravnoveša te nasprotujoče si lastnosti.”
Opravljena dvojna naloga
Raziskovalci so vedeli, da je potrebujejo takšen katalizator, ki bi, ne le nudil podporo aktivnim in učinkovitim kemičnim reakcijam, ampak obenem zagotavljal tudi stabilen vmesnik s polprevodnikom, ki bi omogočal ustvarjenemu naboju (ki nastane z absorpcijo svetlobe, pridobljene iz polprevodnikov), da bi se učinkovito prenesel na drugo stran, kjer poteka katalizo. Seveda mora ob tem prepuščati čim več svetlobe, kolikor je pač največ mogoče.
Uporabili so proizvodno tehniko, imenovano s plazmo izboljšano nalaganje atomske plasti, ki so jo izvedli s pomočjo molekularne livarne, ki jo prav tako imajo na Berkeley Lab. Ta vrsta tankoplastnega nanašanja se že uporablja v industriji polprevodnikov za izdelavo integriranih vezij.
“Ta tehnika nam je nudila dovolj visoko raven natančnosti, ki je bila potrebna za ustvarjanje sestavljene plasti,” je dejala doktor Yangova. “Uspelo nam je izdelati zelo tanko plast za zaščito občutljivih polprevodnikov, potem pa smo ji na nivoju atomov dodali še aktivno plast za izvajanje katalitskih reakcij, vse v enem samem postopku.”
Prvi sloj nanešene plasti sestavljena iz nanokristalne oblike kobaltovega oksida, ki predstavlja stabilen, fizično robusten vmesnik s polprevodnikom, ki absorbira svetlobo. Drugi sloj je bil kemično reaktivni material na osnovi kobaltovega dihidroksida.
“Zasnova te sestavljene prevleke je dobila navdih v nedavnem napredku na tem področju, kjer so odkrili, kako v materialih prihaja do reakcije razgradnje vode na nivoju atomov. Na ta način spoznani notranji mehanizmi odpirajo nove možnosti, kako ustvariti sisteme, ki bi imeli takšne funkcionalne lastnosti, kot jih potrebujemo,” je dejal gospod Sharp.
T takšno konfiguracijo lahko raziskovalci dosežejo, da fotosistem deluje neprekinjeno tri dni (potencialno tudi več), kar je seveda velik napredek, saj takšni sistemi običajno nehajo delovati po nekaj sekundah.
“Velik delež tega našega dela je prikazati pomen oblikovanja katalizatorjev za povezovanje in vgradnjo skupaj s polprevodniki,” je dejala doktor Yangova. “S kombinacijo spektroskopskih in elektrokemijskih metod smo dokazali, da se te plasti filmov lahko izvedejo v povezani in kompaktni obliki v nanometrskem merilu, kar zmanjšuje parazitsko absorpcijo svetlobe, če jih integriramo na zgornjo plast fotoaktivnih polprevodnikov.”
V študiji so avtorji poudarili, da je to vsekakor pomemben mejnik v razvoju fotosistemov, vendar bo v prihodnosti potrebno še veliko več korakov, preden bodo komercialno uspešni umetni fotosistemi pripravljeni za splošno uporabo.
“Na splošno pa je pred nami pomembna naloga, da izvemo čim več o tem, zakaj ti sistemi prenehajo delovati, s tem pa bi že lahko opredelili področja delovanja za nadaljnji razvoj,” je dejal Sharp. “Razumevanje degradacije je pomembna pot k temu, da izdelamo nekaj, kar naj bi bilo desetletja stabilno.”
Več lahko izveste na spletni strani: http://newscenter.lbl.gov/2016/11/09/water-splitting-catalyst-integrated-onto-semiconductor/
Izboljšane polprevodniške sončne celice z vgrajenim katalizatorjem
ScienceDaily
2016_SE247_5
