直接使用太阳能分解水效率刷新世界纪录

在可持续能源系统中，氢作为一种储存介质将发挥核心作用。一个由国际研究人员组成的研究小组已经成功地将直接从太阳能分解水中产生氢的效率提高到了创纪录的19%。来自加州理工学院、剑桥大学、伊尔默诺科技大学和弗劳恩霍夫太阳能系统研究所的团队参与了开发工作，他们将III-V半导体的串联太阳能电池与铑纳米颗粒的催化剂和结晶二氧化钛涂层结合在一起。实验的一部分在柏林亥姆霍兹- zentrum的太阳能燃料研究所进行。

光伏是可再生能源供应系统的主要支柱，全球各地都有充足的阳光——但不是日以继夜。应对这种波动的发电方式的一种解决办法是将阳光以化学能的形式储存起来，特别是利用阳光产生氢气。这是因为氢气可以很容易得到、很安全地储存起来，并且可以用在很多方面——无论是在燃料电池中直接产生电能和热量，还是作为制造可燃燃料的原料。如果把太阳能电池与催化剂和附加功能层,形成一个“单片光电极”作为一个单独的块,然后把水变得特别简单：光电阴极沉浸在一个水介质，当光线落在氢是形成正面背面和氧气。

透明的防腐层

对于本文所研究的单片光电阴极，研究团队将额外的功能层与由弗劳恩霍夫伊势公司(Fraunhofer ISE)开发的III-V半导体制成的高效串联电池结合起来。这使它们能够降低细胞的表面反射率，从而避免了寄生光吸收和反射造成的巨大损失。美国加州理工学院的Hans-Joachim Lewerenz教授说：这也是创新的所在，因为我们已经在2015年实现了超过14%的效率，这是当时的世界记录，在这里我们已经用晶体二氧化钛层取代了抗腐蚀的表层，它不仅具有良好的抗反射性能，而且催化剂颗粒也附着在上面。此外还使用了一种新的电化学过程来生成铑纳米颗粒，从而催化水分解反应。这些粒子直径只有10纳米，因此光学上近乎透明，这使得它们非常适合这项工作。

透明的防腐蚀层含有铑纳米颗粒作为催化剂。图片：ACS Energy Letters

在模拟太阳辐射下科学家实现了效率19.3%的稀释水高氯酸，同时仍然达到18.5%与中性电解质，这些数据的方法可以实现23%的理论最大效率与固有层的电子属性的组合。水晶二氧化钛层不仅保护实际太阳能电池腐蚀,但也提高了电荷传输由于其有利的电子属性，他们的一部分进行效率测定实验HZB研究所太阳能燃料太阳能燃料的先进实验室测试设备的亥姆霍兹能源材料铸造(HEMF)。目前公布的创纪录数据是基于梅作为HZB博士生的研究成果，并因此获得了2016年亥姆霍兹协会能源研究领域博士奖。能够将时间延长到将近100小时。与40小时后已经腐蚀的以前的系统相比，这是一个重大的进步。尽管如此，仍有很多事情要做。

这是因为它仍然是实验室中对小型、高价系统的基础研究。然而研究人员对此持乐观态度：这项研究表明，为直接太阳能水分解而定制的串联电池有潜力将效率提高到20%以上。一种方法是为串联电池中的两种吸收材料选择更好的带隙能量。其中一个甚至可能是硅。弗劳恩霍夫伊势(Fraunhofer ISE)和图伊尔梅瑙(TU Ilmenau)的团队正在设计将III-V半导体与价格较低的硅结合在一起的电池，这可能会大大降低成本。

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