NREL, Berkeley Lab bieten ideale Methoden, um beim Vergleichen von Messungen Vertrauen zu schaffen
Wissenschaftler des National Renewable Energy Laboratory (NREL) und des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums geben Forschern einen Leitfaden an die Hand, wie sich die Effizienz der direkten Wasserstofferzeugung aus Sonnenenergie am besten messen lässt.
Die photoelektrochemische (PEC) Wasserspaltung, die auf Sonnenlicht beruht, um Wasser in seine Bestandteile – Sauerstoff und Wasserstoff – zu spalten, ist möglicherweise einer der nachhaltigsten Wege zu sauberer Energie. Messungen, wie effizient der PEC-Prozess auf einem identischen System ist, können jedoch von verschiedenen Labors stark variieren, da standardisierte Methoden fehlen. Der neu entwickelte Best-Practices-Leitfaden, veröffentlicht in Grenzen in der Energieforschung soll Vertrauen in den Vergleich von Ergebnissen schaffen, die an verschiedenen Standorten und von verschiedenen Gruppen erzielt wurden.
Die Veröffentlichung bietet einen Fahrplan für die PEC-Gemeinschaft, während die Forscher die Technologie weiter verfeinern. Diese Best Practices wurden von beiden Labors durch Ringversuche unter Verwendung derselben Testhardware, PEC-Fotoelektroden und Messverfahren verifiziert. Die Forschung in der Photovoltaik hat eine Zertifizierung der Zelleffizienzen ermöglicht, aber Messungen der PEC-Wasserspaltungseffizienz haben noch kein allgemein akzeptiertes Protokoll.
„Es ist wirklich schwierig, die gemeldeten Ergebnisse der PEC-Wasserspaltungseffizienz zwischen Labors zu vergleichen, da die Menschen dazu neigen, Messungen unter unterschiedlichen Bedingungen durchzuführen“, sagte Todd Deutsch, ein leitender Wissenschaftler am NREL und Mitautor des neuen Zeitschriftenartikels, „Best Practices in PEC: So messen Sie zuverlässig die Solar-zu-Wasserstoff-Effizienz von Fotokathoden.“ „Das Energieministerium hat dies vor einiger Zeit erkannt, daher gab es einige Bemühungen zur Festlegung von Standards, an denen wir beteiligt waren – kollaborative Bemühungen mehrerer Labore und auch NREL-spezifische Bemühungen.“
Andere Autoren von NREL sind Keenan Wyatt, Myles Steiner und James Young.
„Die Motivation für dieses Protokollpapier bestand darin, sowohl als Leitfaden für Forscher zu dienen, die gerade erst in das Feld einsteigen, als auch subtile Techniktipps für erfahrenere Wissenschaftler zu beschreiben“, sagte Francesca Toma, Materialwissenschaftlerin am Berkeley Lab und Mitautorin von der Zeitschriftenartikel. „Wir haben die einzigartigen Stärken zweier nationaler Labore genutzt, die zusammen den Bereich der Grundlagenforschung bis hin zur angewandten Wissenschaft abdecken.“
Weitere Co-Autoren des Berkeley Lab sind Olivia Alley, Guiji Liu, Tobias Kistler, David Larson und Jason Cooper.
Der Artikel zeigt den Weg auf, damit alle Laboratorien einheitlichen Versuchspraktiken folgen können, beginnend mit den Materialien, die für die Herstellung von Fotoelektroden benötigt werden. Die Autoren fahren fort, das Herstellungsverfahren, den experimentellen Aufbau und das Verfahren zur Messung der Solar-zu-Wasserstoff-Effizienz (STH) im Detail zu beschreiben. Die direkte Messung der durch PEC-Wasserspaltung erzeugten Wasserstoffmenge ist für eine genaue Charakterisierung der STH-Effizienz erforderlich, stellten die Forscher fest.
Die PEC-Wasserspaltung wurde erstmals 1972 in wissenschaftlichen Veröffentlichungen erwähnt. Seitdem hat die Forschung den Prozess weiter verfeinert und verbessert, aber bisher wurden keine standardisierten STH-Messverfahren etabliert. NREL stellte 1998, aber erst 2016, den ersten Rekord für die STH-Effizienz von über 10 % (12,4 % STH) auf korrigierte diese Zahl nach unten in einer Veröffentlichung, in der häufige Fallstricke beschrieben wurden, die bei der Durchführung von Effizienzmessungen zu vermeiden sind, nachdem festgestellt wurde, dass das ursprüngliche Experiment überbelichtet war. Im Jahr 2017 verwendete das Team Bandgap Engineering, um Lichtabsorber zu entwerfen, die optimierter sind, um das Sonnenspektrum zu nutzen, was zu einer höheren STH von 16,2 % führte, ein neuer Weltrekord zu dieser Zeit.
Das Büro für Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien des US-Energieministeriums hat 25 % als ultimatives Ziel für STH durch PEC-Wasserspaltung festgelegt, obwohl eine vorläufige Kostenanalyse darauf hindeutet, dass Wasserstoff zu wettbewerbsfähigen Kosten mit geringeren Wirkungsgraden erreicht werden könnte. Fotoelektroden haben Wirkungsgrade von 10 % bis 20 % gezeigt.
PEC-Forscher arbeiten auch weiterhin an Verbesserungen der Haltbarkeit. Der zum Einfangen des Sonnenlichts verwendete Halbleiter wird in einen wässrigen (wasserbasierten) Elektrolyten getaucht. Aber wenn der pH-Wert des Elektrolyts von sauer bis alkalisch reicht, korrodiert der Elektrolyt den Halbleiter und verkürzt seine Lebensdauer.
„Haltbarkeit ist immer noch so ziemlich ein Showstopper für diese Technologie“, sagte Deutsch. „Es gab einige Fortschritte, aber bei weitem nicht so viel wie in letzter Zeit bei der Verbesserung der Effizienz.“
Deutsch ist Co-Autor eines neuen Artikels, ebenfalls in Grenzen in der Energieforschungan „Langzeitstabilitätsmetriken der photoelektrochemischen Wasserspaltung“, der das Erreichen der gleichzeitig hocheffizienten und stabilen, nicht unterstützten PEC-Wasserspaltung als den „Heiligen Gral“ bei der sauberen und erneuerbaren Kraftstofferzeugung beschreibt. Dieses Papier bietet einen Rahmen für die Durchführung von Langzeitstabilitätsexperimenten mit der Hoffnung, eine ultrahohe Stabilität (über 10.000 Stunden) und einen Wirkungsgrad von mehr als 15 % zu erreichen.
HydroGEN Advanced Water Splitting Materials Consortiumgegründet als Teil des Energy Materials Network unter dem Büro für Energieeffizienz und erneuerbare Energien des US-Energieministeriums Büro für Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologienfinanzierte die Forschung.
NREL ist das wichtigste nationale Labor des US-Energieministeriums für Forschung und Entwicklung im Bereich erneuerbare Energien und Energieeffizienz. NREL wird für das Energieministerium von der Alliance for Sustainable Energy, LLC betrieben.
Artikel mit freundlicher Genehmigung von Nationales Labor für erneuerbare Energien.
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