新型太陽能電池板：在可持續制氫方面取得重大突破

 

新的太陽能電池板在將水轉化為氫氣和氧氣方面達到了9%的效率——模仿了自然光合作用中的一個關鍵步驟。

 

密歇根大學電氣與計算機工程教授Zetian Mi說：“最終，我們相信人工光合作用設備將比自然光合作用更有效，這將為實現碳中和提供一條途徑”。

 

據油價網報道，美國密歇根大學的科學家們開發了一種新型太陽能電池板，將水轉化為氫氣和氧氣的效率達到9%，模仿了自然光合作用的關鍵步驟。在戶外，它代表了技術上的重大飛躍，比同類太陽能水分解實驗效率高出近10倍。

 

但最大的好處是降低了可持續氫氣的成本。這是通過縮小半導體來實現的，半導體通常是設備中最昂貴的部分。密歇根大學科學家團隊的自我修復的半導體可以承受相當于160個太陽的聚光。

 

目前，人類主要從化石燃料甲烷中生產氫氣，在這個過程中使用了大量的化石能源。然而，植物利用陽光從水中獲取氫原子。隨著人類試圖減少碳排放，氫氣作為一種獨立的燃料，以及由回收的二氧化碳制成的可持續燃料的組成部分，都具有吸引力。同樣，許多化學過程也需要它，例如生產化肥。

 

密歇根大學電氣與計算機工程教授Zetian Mi領導了這項研究，研究結果發表在《自然》雜志上。Zetian Mi說：“最終，我們相信人工光合作用設備將比自然光合作用更有效，這將為實現碳中和提供一條途徑。”

 

這一突出成果實現兩個方面的進展。

 

第一個是在不破壞利用光的半導體的情況下集中太陽光的能力。密歇根大學電氣和計算機工程研究員、該研究的第一作者Peng Zhou說：“與一些只在低光強度下工作的半導體相比，我們將半導體的尺寸減小為不到原來的百分之一。用我們的技術生產氫氣可能會非常便宜。”

 

第二種方法是利用太陽光譜中能量較高的部分來分解水，同時利用光譜中能量較低的部分來提供熱量來促進反應。這種魔力是由一種半導體催化劑實現的，這種催化劑在利用陽光驅動化學反應時，會隨著使用而自我改善，抵抗這種催化劑通常會經歷的退化。

 

除了處理高光強度外，它還可以在對計算機半導體不利的高溫下茁壯成長。高溫加速了水的分解過程，額外的熱量也促使氫氣和氧氣保持分離，而不是重新結合并再次形成水。這兩種方法都幫助研究小組收獲了更多的氫氣。

 

在戶外實驗中，Peng Zhou教授設置了一個房屋窗戶大小的透鏡，將陽光聚焦到只有幾英寸寬的實驗面板上。在這個面板中，半導體催化劑被一層水覆蓋著，它分離出的氫氣和氧氣不斷起泡。

 

催化劑由氮化銦鎵納米結構制成，生長在硅表面。半導體晶片捕獲光線，將其轉化為自由電子和小孔——電子被光線釋放后留下的帶正電的空隙。納米結構中布滿了直徑為1/2000毫米的納米級金屬球，利用這些電子和小孔來幫助引導反應。

 

面板上的一層簡單的絕緣層將溫度保持在75攝氏度（167華氏度），這個溫度足夠促進反應，同時也足夠涼爽以使半導體催化劑發揮良好作用。室外版本的實驗，在陽光和溫度不太可靠的情況下，將太陽能轉化為氫燃料的效率達到6.1%。然而，在室內，該系統達到了9%的效率。

 

密歇根大學科學家團隊打算解決的下一個挑戰是進一步提高效率，并實現可以直接輸入燃料電池的超高純度氫氣。

 

與這項工作相關的一些知識產權已被授權給NS納米技術公司和NX燃料公司，這兩家公司都是由Zetian Mi共同創立的。

 

這是很大的進步。9%的效率可能是一個新的紀錄。剩下的問題是成本問題。無論經濟如何發展，這加上一種超級經濟的氮肥形成手段將對世界經濟作出巨大貢獻。這將節省試圖儲存氫氣的成本，從而簡化了快速采用。