一举两得！新型人工光合装置不仅能让太阳光产生氢气还能获取电能

研究人员开发了一种名为“光电化学与伏打混合电池（HPEV）”的人工光合作用装置，其可以将太阳光和水转化为两种能源——氢燃料和电能。

图片来源：Berkeley Lab与JCAP提供

HPEV电池额外的后部出口可以将电流分成两部分，使得一部分电流有助于太阳能燃料的产生，其余部分电流可以提取为电能。

为了寻求丰富，可再生的化石燃料替代品，科学家们一直试图通过“水分裂”来获取太阳的能量，这是一种利用太阳光从水中产生氢燃料的人工光合作用技术。但是水分解装置还没有发挥出其潜力，因为目前还没有一种材料的设计，使得这些材料的光学、电子和化学性质都是有效工作所需要的。

现在，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（简称：Berkeley Lab）和美国能源部能源创新中心人工光合作用联合中心（简称JCAP）的研究人员，他们发明了一种新的可再生燃料配方，可以绕过现有材料的限制：用一种名为“光电化学与伏打混合电池（HPEV）”的人工光合作用装置，它将阳光和水转化为不仅仅是一种能源，而是转化为两种能源——氢燃料和电能。这一科研成果于10月29日在“Nature Materials”杂志上发表。

为电子寻找出路

大多数水分解装置都是由一堆吸光材料制成的。根据其构成，每层吸收太阳光谱的不同部分或“波长”，从低能量波长的红外光到更高能量波长的可见光或紫外光。

当每层吸收光时，它会产生一个电压。这些单独的电压结合在一起，组合成一个足够大的电压，足以将水分裂成氧气和氢燃料。但根据伯克利实验室化学科学部JCAP的博士后研究员和该研究的主要作者Gideon Segev所说，这种配置的问题在于，尽管硅太阳能电池能产生接近极限的电能，但当它们是水分解装置的一部分时，它们的高性能潜力就会受到损害。

通过器件的电流受到堆栈中其他材料（这些材料的性能不如硅）的限制，因此，系统实际产生的电流远远低于理论上可以产生的电流。系统产生的电流越少，它可以产生的太阳能燃料就越少。

Segev说：“这就像总是用一档开车一样。”“这是你可以收获的能量，但由于硅没有在其最大功率点发挥作用，硅中的大部分激发电子都无处可去，因此它们在被用来做有用的工作之前就会失去能量。”

更多的利用好电子

所以Segev和Jeffrey W. Beeman（该论文的合著者兼伯克利实验室化学科学部JCAP研究员），以及Jeffery Greenblatt（该论文的合著者兼前伯克利实验室和JCAP研究员，他现在负责湾区技术咨询公司Emerging Futures LLC）和Ian Sharp（现在是德国慕尼黑技术大学实验半导体物理学教授），他们提出了一个解决复杂问题的简单解决方案。

“我们在想，如果我们让电子出来会怎么样？” Segev说。

在水分解装置中，前表面通常专用于太阳能燃料生产，后表面则是一个电气出口。为了解决传统系统的局限性，他们在硅元件的背面增加了一个额外的电触点，从而使HPEV器件在背面有两个触点而不是一个。额外的后部出口可以将电流分成两部分，使得一部分电流有助于太阳能燃料的产生，其余部分电流可以提取为电能。

理论与现实的完美重合

在运行模拟以预测HPEC是否将按设计运行后，他们制作了一个原型来测试他们的理论。Segev说：“令我们惊讶的是，它奏效了！”在科学方面，即使你的计算机模拟结果表明一切都会成功，你也永远无法确定一切是否都会成功。但这也是让它变得有趣的原因。我们很高兴我们的实验验证了我们的模拟预测，太让人兴奋了。”

根据他们的计算，传统的太阳能氢发生器基于硅和钒酸铋的组合，这是一种被广泛研究用于太阳能水分解的材料，它将产生氢气，太阳能制氢效率为6.8％。换句话说，在所有撞击电池表面的入射太阳能中，6.8％将以氢燃料的形式存储，其余的全部丢失。

相反，HPEV电池收集的剩余电子并不有助于燃料的生产。Segev表示，相反，这些残余电子用于产生电能，从而大大提高了整体太阳能转换效率。例如，根据相同的计算，相同的6.8％的太阳能可以作为氢燃料储存在由钒酸铋和硅制成的HPEV电池中，另外13.4％的太阳能可以转换为电能。这使得组合效率达到20.2％，是传统太阳能氢电池的三倍。

研究人员计划继续他们的合作，以便他们可以将HPEV概念用于其他应用领域，例如减少二氧化碳排放。Segev 补充说：“这是一项真正的集体努力的结果，有很多有经验的人做出了很多贡献。” 经过一年半的共同努力，在一个相当繁琐的过程中，看到我们的实验最终融合在了一起，这真是太令人开心了。”

原文来自：sciencedaily，原文题目：A solar cell that does double duty for renewable energy，由材料科技在线团队编译。