為了尋求豐富，可再生的化石燃料替代品，科學(xué)家們一直試圖通過“水分裂”來收獲太陽的能量，這是一種利用太陽光從水中產(chǎn)生氫燃料的人工光合作用技術(shù)。但是，水分解裝置還沒有發(fā)揮其潛力，因?yàn)槿匀粵]有一種材料設(shè)計(jì)，它具有光學(xué)，電子和化學(xué)性質(zhì)的正確組合，使它們能夠有效地工作。

現(xiàn)在，美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)和美國能源部能源創(chuàng)新中心人工光合作用聯(lián)合中心(JCAP)的研究人員已經(jīng)提出了一種新的可再生燃料配方，可以繞過當(dāng)前的限制。材料：一種稱為“混合光電化學(xué)和電流(HPEV)電池”的人工光合作用裝置，它將陽光和水轉(zhuǎn)化為不僅僅是一種，而是兩種能源 - 氫燃料和電能。描述這項(xiàng)工作的論文于10月29日在Nature Materials上發(fā)表。

尋找電子出路

大多數(shù)水分解裝置由一疊光吸收材料制成。根據(jù)其構(gòu)成，每層吸收太陽光譜的不同部分或“波長”，范圍從較低能量波長的紅外光到更高能量波長的可見光或紫外光。

當(dāng)每層吸收光時，它會產(chǎn)生電壓。這些單獨(dú)的電壓組合成一個足夠大的電壓，以將水分成氧氣和氫氣燃料。但根據(jù)伯克利實(shí)驗(yàn)室化學(xué)科學(xué)部JCAP的博士后研究員和該研究的主要作者Gideon Segev所說，這種配置的問題在于，盡管硅太陽能電池可以發(fā)電非常接近極限，但它們的高性能潛力是當(dāng)它們是水分解裝置的一部分時受到損害。

通過器件的電流受到堆棧中其他材料的限制，這些材料的性能不如硅，因此，系統(tǒng)產(chǎn)生的電流遠(yuǎn)低于電流 - 電流產(chǎn)生的電流越少，太陽能越少它可以產(chǎn)生的燃料。

“這就像總是在一檔中駕駛汽車一樣，”塞格夫說。“這是你可以收獲的能量，但由于硅沒有在其最大功率點(diǎn)發(fā)揮作用，硅中的大多數(shù)激發(fā)電子無處可去，所以它們在用于做有用的工作之前就會失去能量。”

退出第一檔

所以Segev和他的合著者 - 伯克利實(shí)驗(yàn)室化學(xué)科學(xué)部JCAP研究員Jeffrey W. Beeman，前伯克利實(shí)驗(yàn)室和JCAP研究員Jeffery Greenblatt，他現(xiàn)在負(fù)責(zé)灣區(qū)技術(shù)咨詢公司Emerging Futures LLC和Ian夏普現(xiàn)在是德國慕尼黑技術(shù)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)半導(dǎo)體物理學(xué)教授，他提出了一個解決復(fù)雜問題的簡單解決方案。

“我們想，'如果我們讓電子出來怎么辦?'”塞格夫說。

在水分解裝置中，前表面通常專用于太陽能燃料生產(chǎn)，而后表面用作電源插座。為了解決傳統(tǒng)系統(tǒng)的局限性，他們在硅元件的背面增加了一個額外的電接觸，從而使HPEV器件在背面有兩個觸點(diǎn)而不是一個。額外的后部出口將允許電流分成兩部分，使得一部分電流有助于太陽能燃料的產(chǎn)生，其余部分可以作為電力提取。

當(dāng)你看到的是你得到的

在運(yùn)行模擬以預(yù)測HPEC是否能夠按設(shè)計(jì)運(yùn)行之后，他們制作了一個原型來測試他們的理論。“令我們驚訝的是，它奏效了!” 塞杰夫說。“在科學(xué)方面，即使您的計(jì)算機(jī)模擬表明他們愿意，您也無法確定一切是否會發(fā)揮作用。但這也是讓它變得有趣的原因。很高興看到我們的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了我們的模擬預(yù)測。”

根據(jù)他們的計(jì)算，傳統(tǒng)的太陽能氫發(fā)生器基于硅和釩酸鉍的組合，這是一種廣泛研究用于太陽能水分解的材料，它將產(chǎn)生氫氣，太陽能氫氣效率為6.8%。換句話說，在撞擊電池表面的所有入射太陽能中，6.8%將以氫燃料的形式存儲，其余的都將丟失。

相反，HPEV細(xì)胞收獲剩余電子，這些電子不會產(chǎn)生燃料。Segev表示，這些殘余電子用于產(chǎn)生電能，從而大大提高了整體太陽能轉(zhuǎn)換效率。例如，根據(jù)相同的計(jì)算，相同的6.8%的太陽能可以作為氫燃料儲存在由釩酸鉍和硅制成的HPEV電池中，另外13.4%的太陽能可以轉(zhuǎn)換成電能。這使得綜合效率達(dá)到20.2%，是傳統(tǒng)太陽能氫電池的三倍。

研究人員計(jì)劃繼續(xù)合作，以便他們可以將HPEV概念用于其他應(yīng)用，例如減少二氧化碳排放。“這確實(shí)是一項(xiàng)團(tuán)隊(duì)努力，有很多經(jīng)驗(yàn)的人能夠做出貢獻(xiàn)，”塞格夫補(bǔ)充說。“經(jīng)過一年半的努力，在一個相當(dāng)繁瑣的過程中，很高興看到我們的實(shí)驗(yàn)最終融合在一起。”