CIGS för vätgasproduktion

Originalartikeln finns att läsa här

Att producera vätgas från solenergi är en ansats att göra samhället mer hållbart eftersom det erbjuder ett sätt att lagra solens energi och också kan användas som ett förnybart bränsle. Här på Ångströmlaboratoriet har vi till exempel genomfört elektrolys med våra CIGS-solceller med en verkningsgrad från sol till vätgas på mer än 10 %. Två metoder för vätgasproduktion, som i litteraturen ofta skiljs åt, är fotoelektrokemiska celler (PEC-celler) och som ovan solceller kopplade till en elektrolysör (PV-elektrolysör). I denna studie analyserades processerna som styr dessa metoder, och genom detta påvisades att de är nära relaterade och snarare bör ses som varianter av samma teknik: en ljusdriven katalys. Analysen genomfördes genom att stegvis transformera en PEC-cell till en PV-elektrolysör.

För att producera vätgas med solljus krävs att man, med hjälp av elektroner exciterade av ljusets fotoner, spjälkar vattenmolekyler till vätgas och syrgas. Det kan delas upp i fyra fundamentala processer: generering av laddningsbärare, separation av laddningsbärare, transport av laddningsbärare och överföring av laddningsbärare för katalys. Det är dessa fyra som avgör den totala verkningsgraden för en design. Potentialen som krävs för att spjälka vatten i slutändan är 1.229 V, men på grund av förluster i processerna krävs en högre potential i verkligheten. För att få en bra generering av laddningsbärare måste alltså materialet där den äger rum väljas med ett tillräckligt stort bandgap, som representerar den energin som kan överföras från elektronerna innan förlusterna. Elektronen och hålet måste sedan separeras från varandra, antingen med diffusion eller ett elektriskt fält i materialet, och sedan transporteras till platsen där de agerar i reaktionen. Vid reaktionen överförs laddningsbärarna för att spjälka vattnet vid elektrolyt-ytan. Detta sker i två halv-reaktioner: oxidation av syre i vattenmolekyler, då syrgas avges, och reduktion av väte i vatten, då vätgas avges. En katalysator kan användas för att minska överpotentialen för reaktionerna.

I en klassisk typ av monolitiska PEC-celler sker alla processerna ovan i ett och samma material nedsänkt i en vattenbaserad elektrolyt. Detta är en enkel design, men ställer dock höga krav på materialet då det ska vara effektivt för alla fyra processerna. Istället kan man därför dela upp cellen i flera material, där kraven på varje del är lägre. Detta kan exempelvis göras med elektroder i flera lager, där katalysen för vätgas och syrgas sker på olika sidor av den enda elektroden och ljusabsorptionen sker mellan dessa. Ett steg mot PV-elektrolysören är att separera anoden från katoden, så att vätgasproduktionen och syrgasproduktionen sker vid olika elektroder som är kopplade till varandra med en kabel där bara den ena har ljusabsorption. Kabeln innebär att sträckan för elektrontransporten ökar, men flexibiliteten för material och geometri är en stor fördel vilket leder till mycket effektiva celler. Ytterligare ett steg är att separera även den andra katalysen från ljusabsorptionen så att det finns tre elektroder kopplade till varandra; en för ljusabsorption, en för vätgasproduktion och en för syrgasproduktion. Om nu fotoelektroden placeras utanför elektrolyten har vi fått en PV-elektrolysör, eftersom detta är ekvivalent med en solcell och en elektrolysör.

Det finns mycket forskning på de två huvudtyperna ovan, PEC-celler och PV-elektrolysörer, såväl som på övergångarna mellan dessa designer. Trots de uppenbara likheterna klassificeras de dock som separata forskningsämnen. Genom att istället klassificera PEC-celler och PV-elektrolysörer som varianter av samma teknik kan forskningen fokusera på de gemensamma målen, exempelvis material och processer, istället för att definiera skillnader mellan teknikerna. På så vis kan forskningen tillämpas på alla varianter av ljusdriven katalys.