研究團隊將基於低成本材料的光伏制氫效率提升至17%以上

氫氣的能量密度和環保優勢，已經讓許多行業垂涎已久。然而目前的最大問題，就是氫燃料的成本太高。好消息是，澳大利亞國立大學的一支研究團隊，已經將太陽能制氫的效率提升到了 17.6% 。同時基於矽光電陰極的設計，讓材料成本也較其它高性能競爭對手要實惠得多，意味著我們向可負擔得起的清潔氫能生產邁出了重要的一步。

（圖自：Australian National University）

作為一種輕量可運輸、較易存儲的清潔能源，電動航空、可垂直起降的飛行器、以及可再生能源等領域的研究人員，對氫氣有著各種美好的暢想。

不過在全球大力推廣清潔綠色的氫能源之前，仍需大力提升制氫的效率。好消息是，澳大利亞國立大學（ANU）科學家們，已經提出了一套新方案。

其設想了一種光電化學（PEC）太陽能制氫（STH）電池，理論上可同時吸收太陽能與水，然後直接向外輸送氫氣、而不是轉為外部電解系統供電。

通過將尖端的鈣鈦礦光伏電池與電極串聯在一起，其效率比使用廉價半導體製造的任何其它設備都要出色。

矽-鈣鈦礦雙吸收串聯光電化學電池可直接制氫

該校工程與計算機科學學院首席研究員 Siva Karuturi 博士稱：「光伏面板吸收產生的能量與半導體帶隙成正比，而矽又是市面上最流行的光伏材料，可惜只能產生水解制氫所需能量的 1 / 3」。

通過使用帶隙為矽兩倍的半導體，他們得以解決了這一問題。不過需要權衡的是，帶隙越高，光伏的太陽能轉化效率也會越低。

有鑑於此，研究團隊採用了半導體兩倍的較小帶隙。從而不僅有效地轉化太陽能，且能出產必要的自發制氫能量。

這套系統的一個關鍵指標，就是從太陽能到氫氣的總效率。美國能源部近十年提出的終極目標為 25%，但 2020 年達到近 20% 也並不容易。

光伏面板中的材料層

此前的設計方案已達到 19% 的水平，但使用了價格昂貴的半導體材料。如果只看基於平價材料的方案，很難有研究可達成 10％ 的水平。

慶幸的是，在相對可接受的條件下，該研究團隊在實驗室模擬的基於矽 / 鈦 / 鉑光電極的效率，已可達到竟然 17.6％ 。

後續還可通過微調各個組件的設計，讓制氫的效率更加高效，並用儲量豐富的材料來替代貴重的催化金屬，以進一步降低製造成本。

有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）期刊上。

原標題為《Over 17% Efficiency Stand‐Alone Solar Water Splitting Enabled by Perovskite‐Silicon Tandem Absorbers》。