含有铑纳米粒子作为催化剂的透明防腐蚀涂层。来源：ACS Energy Letters
在可持续能源系统中，氢将作为存储能量的介质发挥核心作用。目前，一个国际研究小组已经成功地提高了太阳能分解水产生氢气的效率，
目前他们的转换率达到了创纪录的19%。他们通过将III-V族半导体串联太阳能电池，然后与铑纳米颗粒催化剂和结晶二氧化钛涂层结合做到了这一点。来自加州理工大学、剑桥大学、伊尔梅瑙理工大学和弗劳恩霍夫太阳能系统研究所的联合团队参加了这项工作。这项实验的一部分在亥姆霍兹柏林太阳能研究所完成。
光伏发电是可再生能源供应系统的支柱。阳光在世界范围内广泛存在，但并非昼夜不停。解决这种波动性发电的一个解决方案是，以化学能的形式储存这种能量，特别是利用阳光产生氢气。这是因为氢可以安全地储存，并且可以在许多方面被使用——无论是在燃料电池中直接产生电和热，还是作为制造燃料的原料。如果将太阳能电池与催化剂和附加功能层组合成一块“整体光电极”的话，
那么分解水就变得特别简单：光电阴极浸没在水介质中，当阳光洒到它上面时，氢在前侧形成，背面则产生氧气。
透明防腐层
对于正在这里研究的单片光电阴极，研究团队将附加功能层与Fraunhofer ISE开发的III-V族半导体制成的高效串联电池相结合。这使得它们能够降低电池的表面反射率，从而避免由光反射引起的能量损失。美国加州理工学院的Hans Joachim Lewerenz教授解释说：“这也是我们工作的创新所在”，因为在2015年，我们已经在早期的电池中获得了超过14%的转化效率，这是当时的世界记录。在这里，我们用一层结晶二氧化钛层代替了防腐顶层，这种二氧化钛层不仅具有优异的抗反射性能，而且催化剂颗粒也附着在这种材料上面。加州理工学院的教授Harry Atwater补充说：此外，我们还使用了一种新的电化学方法产生铑纳米颗粒，这种颗粒用于催化水裂解反应。这些粒子直径只有十纳米，因此在光学上来说几乎是透明的，这使得它们非常适合这项工作。
在模拟太阳辐射的情况下，科学家在稀水性高氯酸中获得19.3%的转化效率，而在中性pH值的电解液中仍能达到18.5%。这些数字接近23%，这是最大的理论转化效率，我们可以用这种组合的固有电子特性来实现。
“晶体二氧化钛层不仅保护了太阳能电池免受外界腐蚀，而且由于二氧化钛有利的电子特性改善了电荷传输”，Matthias May博士说，他在HZB研究所，对亥姆霍兹能源材料铸造厂（HEMF）的太阳能燃料测试设施进行了部分效率测定实验。现在公布的数字是基于HZB博士生的工作，他在2016获得了亥姆霍兹协会能源研究博士奖。
我们可以将操作寿命提高到100小时左右。与之前的40小时相比，这是腐蚀系统的一个重大进步。尽管如此，我们仍然有很多事情要做，” May解释道。
这是因为我们仍然是在实验室中，以小型、高价系统进行的基础研究。然而，研究人员对此表现的非常乐观：“这项工作表明，定制的串联电池直接进行太阳能水分解有可能实现超过20%的效率。一种方法是为串联电池中的两种吸收体材料选择更好的带隙能量，另外一种方法是采用硅，伊尔梅瑙理工大学的Thomas Hannappel教授解释说。
FrunHoffer-ISE和伊尔梅瑙理工大学的团队正在设计将III-V半导体与低价硅结合起来的电池，这样可以大大降低成本。
文章来自phys网站，原文题目为New world record for direct solar water-splitting efficiency，由材料科技在线汇总整理。
