Исследователи из немецкого Института Фраунгофера по солнечным энергетическим системам (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems) объявили о достижении мирового рекорда. Специалистам удалось добиться 31,3% эффективности при прямом превращении солнечного света в водород. Это достижение является важной вехой, так как около трети энергии солнечного излучения преобразуется в химическую энергию топлива, что открывает простой путь к производству экологически чистого водорода.
Экспериментальная установка представляет собой фотоэлектролизную систему, в которой высокоэффективные солнечные элементы напрямую снабжают энергией электролизер для расщепления воды. Исследование опубликовано в научном журнале Communications Engineering и подчеркивает прогресс в области альтернативной энергетики.
Технология микроконцентрации и эффективность
Основой успеха стала уникальная система микроконцентрации солнечного света (micro-CPV). В ней используется матрица миниатюрных линз Френеля, фокусирующая лучи на компактных четырехпереходных фотоэлементах площадью около 7 мм². Эти полупроводниковые структуры, созданные на базе материалов III–V групп таблицы Менделеева, обладают многослойной архитектурой, позволяющей поглощать значительно более широкий спектр солнечного излучения, чем классические кремниевые панели.
Выработанная электроэнергия поступает на два последовательно подключенных PEM-электролизера с протонно-обменными мембранами. Такая конфигурация обеспечивает высокую плотность тока и позволяет эффективно генерировать водород даже при изменяющихся условиях освещенности.
Рекордные показатели в полевых условиях
Важным фактором успеха стало то, что рекордные 31,3% КПД были зафиксированы не в лабораторных условиях, а в ходе работы прототипа на открытом воздухе. Установка успешно функционировала в автономном режиме на протяжении 107 часов. Ранее подобные системы на открытой местности демонстрировали эффективность около 19,8%, тогда как показатели выше 30% удавалось получить только в ходе искусственных стендовых испытаний.
Исследователям удалось идеально оптимизировать согласование напряжения и тока между солнечными панелями и электролизерами, тем самым сведя к минимуму потери при преобразовании. Несмотря на скромную апертуру прототипа (всего 64 см²), полученные данные критически важны для масштабирования технологии в будущем.
Перспективы промышленного внедрения
Технология на данный момент является доказательством концепции (proof of concept). Для перехода к промышленному производству ученым предстоит решить несколько сложных задач: снизить стоимость дорогостоящих многопереходных фотоэлементов, улучшить износостойкость линзовых концентраторов и создать крупные модульные установки.
Коммерциализацией разработки может заняться профильный стартап Clearsun Energy. Если удастся довести стоимость производства водорода до отметки в $3 за килограмм, подобные системы станут крайне востребованными в металлургии, химической промышленности и энергетических хранилищах, поддерживая глобальный переход к безуглеродной экономике.
