نسل بعدی سلول های خورشیدی،برق و هیدروژن را باهم تولید می کند

یکی از روش‌های اصلی تولید هیدروژن مورد استفاده در سلول‌های سوختی، استفاده از فتوسنتز مصنوعی برای تجزیه‌‌ی آب به عناصرهیدروژن و اکسیژن است؛ اما این دستگاه‌ها هنوز با برخی مشکلات ناشی از بازدهی مواجه‌‌اند. اکنون یک دستگاه ترکیبی جدید، علاوه‌بر تولید هیدروژن و برق، امکان بازیابی بخشی از انرژی اتلافی را نیز فراهم کرده است.

به‌‌تازگی، پیشرفت‌‌های چشمگیری در زمینه‌ی تولید هیدروژن از طریق فتوسنتز مصنوعی، بهبود بازدهی، کاهش هزینه و نیز توسعه‌‌ی سیستم‌های هوشمند روی داده است؛ که در بین آن‌‌ها می‌‌توان به ساخت تجهیزات شناور در اقیانوس اشاره کرد که می‌‌توانند هیدروژن را از آب استخراج کنند.

اما با وجود تمام این پیشرفت‌ها،بازدهی همچنان معضلی پابرجا است. بسیاری از دستگاه‌های فتوسنتز مصنوعی تنها می‌توانند کمتر از ۱۰ درصد از نور خورشیدی را که دریافت می‌‌کنند، به برق تبدیل کنند؛ در آن سو، سیستم‌های فتوولتائیک (خورشیدی) رایج اغلب دارای بازدهی ۲۰ درصد در تبدیل انرژی هستند و پیش‌‌بینی می‌‌شود تا به بازدهی ۴۵ درصدی نیز دست یابند. پژوهشگرانی از آزمایشگاه برکلی و مرکز مشترک فتوسنتز مصنوعی (JCAP) در مطالعه‌‌ای جدید، وجود اجزای غیر سیلیکونی در دستگاه‌های تجزیه‌‌ی آب را عامل کاهش بازدهی سیلیکون معرفی کردند.

گیدون سگو، مؤلف اصلی این مطالعه می‌گوید:

 این کار مانند این است که همواره خودروی خود را با دنده‌‌ی یک برانید. مسلماً این انرژی قابل استفاده است؛ اما چون سیلیکون نمی‌‌تواند در حداکثر میزان کارایی خود عمل کند، بیشتر الکترون‌های تحریک‌‌شده در سیلیکون جایی برای رفتن ندارند؛ بنابراین انرژی خود را پیش از آنکه برای انجام کار مفیدی از آن استفاده شود، از دست می‌دهند.

پاسخ ممکن است به‌طرز شگفت‌آوری ساده باشد؛ چرا تنها اجازه‌‌ی خروج را به این الکترون‌‌ها ندهیم؟ بدین منظور، محققان یک اتصال الکتریکی ثانویه را به پشت بخش سیلیکونی دستگاه اضافه کردند که جریان الکترون تولیدشده توسط انرژی نور خورشید را تقسیم ‌کند و اجازه ‌دهد که بخشی از این جریان،  آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه کنند و بخش دیگر نیز به‌عنوان الکتریسیته مورد استفاده قرار گیرد. آن‌ها این دستگاه جدید را پیل ترکیبی فتوالکتروشیمیایی ولتائیک (HPEV) نام‌گذاری کردند.

طرح کلی سلول HPEV

پژوهشگران ابتدا یک دستگاه فتوسنتز مصنوعی رایج متشکل از سیلیکون و بیسموت وانادات را با بازدهی حدود ۶/۸ درصد در نظر گرفتند. یک سلول HPEV ساخته‌شده با استفاده از همین اجزا، به‌‌میزان ۱۳/۴ درصد انرژی خورشیدی بیشتری را به الکتریسیته تبدیل خواهد کرد. با احتساب ۶/۸ درصد از انرژی که در حال تبدیل به هیدروژن است، بازده‌ی ترکیبی این سلول، به ۲۰/۲ درصد خواهد رسید.

پژوهشگران، قبل از ساخت نمونه‌ی اولیه از این سلول، ابتدا طراحی خود را با استفاده از شبیه‌سازی‌ها مورد آزمایش قرار دادند. خوشبختانه، دستگاه واقعی نیز آنطور که انتظار می‌‌رفت، کارایی لازم را داشت. در ادامه، این تیم تصمیم دارد تا در کنار پیشبرد روند بهینه‌سازی این دستگاه، سایر کاربردهای احتمالی از جمله کاهش انتشار دی‌‌اکسید کربن را برای آن مورد بررسی قرار دهد.

این مطالعه در مجله‌‌‌‌ی نیچر منتشر شده ‌است