يتطلب فصل الهيدروجين عن جزيئات الماء عبر التحليل الكهربائي طاقة، ومن الناحية المثالية، ينبغي أن تأتي هذه الطاقة من مصادر متجددة. طوّر علماء معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE) وحدة تكاملية ضوئية/كهروكيميائية قادرة على إنتاج الهيدروجين مباشرة من الطاقة الشمسية بكفاءة عالية. يعتمد المبدأ على استخدام الجهد الضوئي العالي للخلايا الشمسية متعددة الوصلات لتفكيك جزيئات الماء، حيث ترتبط هذه الخلايا الشمسية كهربائيًا وحراريًا بخلايا التحليل الكهربائي. وقد تمكّن فريق البحث من اختبار نموذج تجريبي في الهواء الطلق، يحوّل ما يصل إلى 31.3% من الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية، استنادًا إلى القيمة الحرارية العليا للهيدروجين.

"بالنسبة لوحدة التحويل الضوئي/الكهروكيميائي التي طورناها، اعتمدنا على ما يُعرف بتقنية الخلايا الشمسية المركزة"، يوضح الدكتور خوان فرانسيسكو مارتينيز سانشيز، مدير المشروع في معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية. "تعمل مجموعة من عدسات فريسنل على تركيز ضوء الشمس المباشر على خلايا شمسية عالية الكفاءة من نوع III-V، والتي يتجاوز جهد دائرتها المفتوحة في هذا التطبيق 4 فولت." تُعد الخلايا الشمسية من نوع III-V الأكثر كفاءة في العالم، وقد أثبتت استقرارها على المدى الطويل عبر سنوات من الاستخدام. تُستخدم حاليًا بشكل أساسي في تطبيقات الفضاء، إلا أنها قادرة أيضًا على توليد الكهرباء بكفاءة اقتصادية على الأرض عند استخدامها في وحدات الطاقة الشمسية المركزة.

"لإنتاج الهيدروجين، قمنا بتوصيل هذه الخلايا الشمسية مباشرةً بالكاثود والأنود لخلّيتي تحليل كهربائي من نوع PEM مرتبطتين على التوالي، مما حققنا تطابقًا مثاليًا في الخصائص الكهربائية بينهما"، يضيف الدكتور توم سمولينكا، رئيس قسم التحليل الكهربائي بالأغشية في معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية. وبهذا، تُستخدم الكهرباء المولدة من الخلايا الشمسية مباشرةً في إنتاج الهيدروجين دون أي مراحل تحويل وسيطة، مما يتجنب فقدان الطاقة. في الاختبارات الميدانية، تبلغ مساحة عدسات النموذج التجريبي لوحدة التحويل الضوئي/الكهروكيميائي الجديدة 64 سنتيمترًا مربعًا، وقد حققت تحويلًا يصل إلى 31.3% من الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية، استنادًا إلى القيمة الحرارية العليا للهيدروجين.

"رقمنا القياسي الجديد يُظهر أنه يمكن إنتاج الهيدروجين مباشرةً من ضوء الشمس بكفاءة عالية"، يقول الدكتور فرانك ديمروت، رئيس قسم الخلايا الشمسية من نوع III-V وتقنيات التركيز في معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية. "لا يزال هذا التطوير في مراحله المبكرة، ومن الصعب تحديد المدة التي نحتاجها لتحقيق نظام قادر على المنافسة. وللمضي قدمًا في هذا المفهوم، نبحث عن مستثمرين لشركتنا الناشئة المخطط تأسيسها، Clearsun Energy."