Фотоэлектролиз воды с преобразованием солнечной энергии в H2 до 31,3% при наружной эксплуатации

Преобразование солнечного света в чистое топливо

Водород часто называют чистым топливом будущего, но его производство с минимальным климатическим воздействием по‑прежнему представляет собой серьёзную задачу. В этой работе описан компактный прибор, который использует концентрированный солнечный свет для расщепления воды на водород и кислород с необычно высокой эффективностью и делает это на открытом воздухе в реальных условиях. Для читателей, интересующихся тем, как можно хранить солнечную энергию для ночного использования, переносить её между сезонами или обеспечивать энергией тяжёлую промышленность без ископаемого топлива, эта работа даёт представление о практическом пути вперёд.

Почему водород из солнечного света важен

Солнечная и ветровая энергия дешёвы и чисты, но они не всегда доступны тогда, когда это необходимо. Водород может выступать как гибкая энергоёмкость: его можно долго хранить, перевозить на большие расстояния и затем превращать обратно в электроэнергию, тепло или использовать как химическое сырьё. Проблема в том, что большая часть водорода сегодня производится из природного газа, что приводит к значительным выбросам углекислого газа. Разделение воды с помощью возобновляемой электроэнергии избегает этих выбросов, но типичные системы теряют много поступающей солнечной энергии. Повышение эффективности существенно выше 15 процентов рассматривается как ключевой шаг к тому, чтобы солнечный водород стал доступным в крупном масштабе.

Компактная установка «свет → водород»

Исследователи собрали прототипный модуль под названием HyCon, который тесно объединяет две зрелые технологии: высокоэффективные солнечные элементы и электролизёры с полимерной электролитной мембраной (PEM). Массив из четырёх небольших линз Френеля концентрирует прямой солнечный свет примерно в 200 раз на четырёх современных «четырёхзонных» солнечных элементах, закреплённых на медной пластине. Эти элементы состоят из нескольких слоёв, поглощающих свет, что позволяет использовать широкий спектр солнечных цветов и генерировать напряжение выше 4 вольт. На обратной стороне той же пластины два PEM‑электролизёра соединены последовательно и напрямую связаны с солнечными элементами. Когда концентрированный солнечный свет падает на солнечные элементы, они приводят в действие электролизёры без промежуточной силовой электроники, разделяя деминерализованную воду на отдельные потоки водорода и кислорода.

Как конструкция обеспечивает высокую эффективность

Чтобы достичь высокой эффективности преобразования, солнечные элементы и электролизёры должны работать в оптимальной точке, где электрическая отдача элементов близка к требованию реакции расщепления воды. Команда сознательно выбрала конфигурацию: четыре солнечных элемента соединены параллельно, а два электролизёра — последовательно, так, чтобы их характеристики ток‑напряжение пересекались чуть ниже точки максимальной мощности солнечных элементов. Они также применили характеристики реальных факторов, таких как изменение интенсивности света и температура воды, которые смещают рабочую точку в течение дня. Более тёплая вода снижает напряжение, необходимое для электролиза, поэтому исследователи подогревали входящую воду до примерно 60 градусов Цельсия и спроектировали модуль так, чтобы отходящее тепло от солнечных элементов в будущих версиях могло поддерживать электролизёры в тёплом состоянии. Эта стратегия помогает системе сохранять высокую эффективность, даже когда солнце и погода меняются.

Рекордная производительность на открытом воздухе

Модуль HyCon испытывали в течение 13 летних дней на двухосном солнцеследящем устройстве во Фрайбурге, Германия, которое держало линзы направленными прямо на солнце. При сильном прямом солнечном светe устройство преобразовывало до 31,3 процента входящей солнечной энергии в химическую энергию, запасённую в водороде, измеренную по верхней теплоте сгорания газа. При этом пикe массив солнечных элементов работал примерно с 35‑процентной эффективностью, а стек электролизёров — чуть более 91 процента. В течение полного солнечного дня модуль в среднем достигал почти 29 процентов эффективности и производил более 60 граммов водорода на квадратный метр площади линз, не демонстрируя заметного ухудшения характеристик. По сравнению с другими системами электролиза на солнечной энергии сочетание концентрированных многозонных солнечных элементов и непосредственно связанный PEM‑электролиз обеспечило наивысшую зарегистрированную эффективность в реальных наружных условиях.

Значение для будущей «зеленой» энергетики

Исследование показывает, что прямое соединение многослойных концентрирующих солнечных элементов с компактными PEM‑электролизёрами может формировать высокоэффективные блоки для производства солнечного водорода, особенно в солнечных, засушливых регионах с большим количеством прямого света. Поскольку подход HyCon исключает дополнительную силовую электронику, эффективно использует и свет, и тепло и может масштабироваться повторением модулей, он может помочь снизить стоимость зеленого водорода до уровней, конкурентоспособных с водородом, получаемым из ископаемого топлива. Хотя по‑прежнему необходимы дальнейшие улучшения в управлении теплом, конструкции солнечных элементов и развертывании в крупном масштабе, эта работа показывает, что превращение солнечного света в легко хранимое чистое топливо с очень высокой эффективностью — это не просто лабораторный курьёз, а реалистичный вариант в реальных наружных условиях.

Цитирование: Martínez, J.F., Ohlmann, J., Smolinka, T. et al. Photovoltaic water electrolysis reaching 31.3% solar-to-H₂ conversion efficiency under outdoor operating conditions. Commun Eng 5, 78 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00610-x

Ключевые слова: солнечный водород, электролиз воды, концентрирующая фотоэлектроника, накопление возобновляемой энергии, зеленый водород