Konwersja energii słonecznej na chemiczną

Rosnące globalne zapotrzebowanie energetyczne powoduje stopniowe wyczerpywanie się zasobów paliw kopalnych. W związku z tym poszukiwane są odnawialne źródła energii, których stosowanie nie powoduje zanieczyszczenia środowiska naturalnego. Możliwość wykorzystania wodoru jako wydajnego paliwa sprawia, że badane są tanie i bezpieczne dla środowiska sposoby jego produkcji. Jednym z nich jest fotoelektroliza wody, czyli rozkład katalityczny wody na gazowy wodór i tlen, przy wykorzystaniu energii słonecznej.

W 1839 francuski naukowiec Edmond Becquerel odkrył efekt fotowoltaiczny. Becquerel skonstruował ogniwo składające się z zanurzonych w roztworze elektrolitu płytek platynowych, z których jedna pokryta była AgCl. Po naświetleniu tej elektrody światłem słonecznym w obwodzie zewnętrznym pojawia się różnica potencjałów, przy czym Becquerel wykazał, że zjawisko to nie było związane z nagrzewaniem elektrody przez światło.

Mimo tak odległej daty odkrycia tego zjawiska nie wzbudziło ono większego zainteresowania, prowadzącego do opracowania metody konwersji energii słonecznej w użyteczną energię elektryczną. Dopiero w latach 50. XX wieku w laboratoriach Bella rozpoczęto systematyczne badania nad zjawiskami fotowoltaicznymi.

Fotowoltaika wykorzystuje fakt, że zaabsorbowane fotony światła przez półprzewodnik kreują parę elektron-dziura, na półprzewodnikowym łączu n-p. Efekt ten powoduje powstanie różnicy potencjałów wzdłuż złącza. Dziedzina ogniw słonecznych została zdominowana przez układy, w których złącze występuje pomiędzy nieorganicznymi ciałami stałymi – zazwyczaj domieszkowanym krzemem w postaci krystalicznej lub amorficznej czy związkami półprzewodników grupy III-V. Ograniczeniem w stosowaniu ogniw słonecznych jest głównie cena ich wytwarzania. Również długoczasowe (roczne) jak i dobowe wahania w dostarczaniu przez słońce energii stanowią pewne utrudnienia. Dodatkową przeszkodą jest brak możliwości magazynowania uzyskanej energii użytecznej (można z niej korzystać jedynie wtedy, gdy ogniwo pracuje), bez dodatkowych urządzeń.

Zużycie energii na świecie stale się zwiększa, a głównymi jej źródłami są w dalszym ciągu paliwa kopalne. Uwarunkowania ekonomiczne sprawiają, że energia promieniowania słonecznego, ogólnie dostępna i praktycznie niewyczerpana (Słońce wypali się za około 5 miliardów lat), jest wykorzystywana tylko w niewielkim stopniu. Możliwość użycia wodoru jako wydajnego paliwa sprawia, że poszukiwane są tanie i bezpieczne dla środowiska sposoby jego produkcji. Jednym z nich jest fotoelektroliza wody, czyli rozkład katalityczny wody na gazowy wodór i tlen z wykorzystaniem energii słonecznej w ogniwach fotoelektrochemicznych, ang. PhotoElectrochemical Cell – PEC (rys. 1). Energia niezbędna do tego procesu dostarczana jest poprzez naświetlanie elektrod półprzewodnikowych, pełniących rolę katody i/lub anody w takim ogniwie.

rys.1 Rozkład katalityczny wody na gazowy wodór i tlen

Intensywne badania nad tym procesem zaczęto prowadzić w latach 70., gdy na skutek napiętej sytuacji politycznej doszło do znacznego podwyższenia kosztów ropy naftowej. W roku 1972 A. Fujishima i K. Honda wykazali, że w zbudowanym przez nich ogniwie, gdzie elektrodą był monokryształ TiO₂ i platyna pokryta czernią platynową, możliwa jest samorzutna reakcja rozkładu wody wskutek absorpcji światła przez TiO₂. Obecnie wodór uzyskuje się najczęściej w wyniku elektrolizy wody lub w procesach wykorzystujących paliwa kopalne, jak węgiel lub gaz ziemny (rozkład węglowodorów podczas reakcji katalitycznej – reforming, gazyfikacja). Trwają także prace nad wykorzystywaniem biomasy. Jednakże tradycyjna elektroliza wody, chociaż pozwala na uzyskiwanie wodoru o najwyższej spośród wymienionych metod czystości, jest kosztownym procesem, wykorzystującym elektrody platynowe i stężone roztwory, np. KOH. Ponadto należy mieć na uwadze, że konieczna do tego celu energia elektryczna aktualnie jest otrzymywana głównie ze spalania paliw kopalnianych. Natomiast rozkład węglowodorów prowadzi do produkcji dwutlenku węgla, odpowiedzialnego za zwiększający się efekt cieplarniany. W związku z tym trwają badania nad zwiększeniem efektywności procesu fotoelektrolizy wody poprzez uzyskiwanie materiałów półprzewodnikowych o najbardziej optymalnych właściwościach.

Ogniwo PEC może być również źródłem energii elektrycznej. Największą wydajność fotokonwersji w tych ogniwach uzyskano stosując nanoporowate elektrody TiO_2­ o dużym rozwinięciu powierzchni właściwej, pokryte warstwą barwnika organicznego (rys. 2). Proponowane w literaturze zmiany konfiguracji, w których występuje ogniwo fotoelektrochemiczne PEC, mają na celu zwiększenie współczynnika efektywności konwersji energii słonecznej na energię chemiczną. Jednym z nich jest tworzenie heteroukładów złożonych z dwóch półprzewodników znacznie różniących się wartościami energetycznej przerwy wzbronionej. Układ taki umożliwia rozszerzenie zakresu długości fali, dla którego zachodzi absorpcja światła oraz zwiększenie czasu rekombinacji (ograniczenie procesów rekombinacji poprzez rozdzielenie fotonośników).

rys.2 Fotokonwersja w ogniwach PEC

Interesującym pomysłem jest wykorzystanie ogniw słonecznych jako źródło energii wspomagającego proces fotoelektrolizy wody w PEC. Ogniwo tandemowe stanowi szeregowe połączenie ogniwa fotoelektrochemicznego typu PEC z ogniwem słonecznym (fotowoltaicznym) jako dodatkowym źródłem energii. W takim układzie hybrydowym obserwuje się zamianę energii słonecznej na energię reakcji chemicznej (ogniwo PEC) oraz na energię elektryczną (ogniowo słoneczne). Przykładowym rozwiązaniem jest utworzenie zintegrowanego, monolitycznego układu: ogniwo fotowoltaiczne-ogniwo. PEC składa się z fotokatody z GaInP₂ (w ogniwie PEC) (rys. 3). Efekt fotowoltaiczny zachodzi w ogniwie na bazie GaAs na złączu n/p. Półprzewodnik ten absorbuje światło w zakresie spektralnych fal dłuższych w porównaniu z absorpcją zachodzącą w ogniwie fotoelektrochemicznym z katodą GaInP₂. Pozwala to na bardziej efektywne wykorzystanie energii słonecznej do procesu elektrolizy. Współczynnik efektywności omawianego ogniwa tandemowego wynosi 12% i jest znacznie wyższy od wartości uzyskiwanych w ogniwach PEC (3%).

rys.3 układ ogniwo fotowoltaiczne-ogniwo

Wspomaganie procesu fotoelektrolizy realizowane może być także przy wykorzystaniu ogniw PEC z barwnikami. Ogniwo tandemowe składa się z PEC z anodą na bazie WO₃, oddzielonego od ogniwa słonecznego nanoporowatym TiO₂ pokrytym barwnikiem. Efektywność konwersji całego układu wynosi 7%, a koszty wytworzenia są znacznie niższe niż tandemowych ogniw monolitycznych.

Naturalne zasoby nieustannie się kurczą. Pesymiści mówią o 2015 roku, optymiści o 2040, kiedy to powinno nastąpić przestawienie światowej gospodarki z paliw kopalnych na gospodarkę bazującą na wodorze (ekonomia wodoru). Energia ze źródeł odnawialnych jak na razie jest za droga. Zastosowanie ogniw słonecznych czy instalacji geotermalnych wymaga znacznego obniżenia kosztów produkcji jak i wzrostu efektywności ich pracy.

W drugiej połowie XX wielkie nadzieje wiązano z energią jądrową. Niestety nad jej szerszym wykorzystaniem kładzie się cień Czarnobyla. Obecnie zarówno opinia publiczna jak i rządy wielu krajów są bardziej przychylne do rozwijania energetyki jądrowej. Duże oczekiwania związane są z wykorzystaniem energii termojądrowej, gdzie w wyniku fuzji jąder atomów wodoru można uzyskać niewyobrażalnie duże ilości energii. Aktualnie zaawansowane są prace nad konstrukcją pierwszego reaktora termojądrowego. Jednak szersze stosowanie energii termojądrowej należy do przyszłości.