人工光合作用設備研究又一樁,更具備發電製氫雙重功效

作者 | 發布日期 2018 年 11 月 02 日 14:37 | 分類 太陽能 , 能源科技 follow us in feedly

目前製氫方式仍離不開化石燃料,稱不上完全乾淨的能源,因此科學家致力於研發人工光合作用設備。但該技術距離商業化還有一段距離、也存有效率低成本高等挑戰,而為此美國能源局勞倫斯伯克利國家實驗室提供全新的人工光合作用設備走向,研發出既能製氫又能發電的二合一多功能太陽能系統,合併效率更高達 20.2%。



人工光合作用系統是種把太陽光轉換成氫氣的光電解水製氫技術,然而研究發展時間已數十年之久,至今仍受限於成本高與材料不穩定等因素遲遲無法達成商業化,且人工光合作用設備可吸收的光波長有限,轉換效率一直以來都相當低、難跟太陽能電池一樣達到 20% 以上。

對此伯克利實驗室的人工光合作用聯合中心(JCAP)認為,由於科學家還沒設計出集光學、電子學和化學特性於一身的混合材料,設備還沒有完全發揮其潛力,因此才無法有效運作。

在傳統研究中,人工光合作用設備是由一層層光吸收材料製成,每層負責吸收不同光波長,之後則會產生電壓讓設備可以從水中分解氫氣與氧氣。其中光吸收材料多是由矽與釩酸鉍製成,只不過 JCAP 團隊指出,雖然矽可以在太陽能電池中大放異彩,但是當它用於人工光合作用時,性能就會大打折扣,整體電流量也會因為其他材料效率不如矽而減少,最終影響製氫效率。

JCAP 科學家 Gideon Segev 表示,這個就像永遠以一檔行駛的汽車,雖然可以吸收能量,但由於沒有發揮矽的最大價值,大多受激電子在開始運作之前就已失去能量,因此團隊決定「先把電子釋放出來」。

▲ HPEV 運作概念圖,後方接頭讓設備電流能分成兩道,電流一部分可用於製氫,其餘電流將用來發電。(Source:勞倫斯伯克利國家實驗室

過去科學家都以人工光合作用系統的正面來製造氫氣,背面則是設備電源插座位置。而 JCAP 為了突破當前困境,打造出光電化學與伏打混合系統(hybrid photoelectrochemical and voltaic,HPEV),在矽元件背面增加一個電接頭,這樣一來就可以將電流分成兩道,其中一部分可用於光電解水製氫,另一個則用來發電,之後人工光合作用設備也不用再依靠外部電源來驅動。

新型設備的效率也相當符合科學家期待,傳統人工光合作用系統製氫效率僅 6.8%,剩下的能量則全部流失,而新型 HPEC 原型可以將太陽光轉換成 13.4% 電力,若再加上原有的 6.8% 製氫效率,合併效率已高達 20.2%,可說是過去設備的 3 倍。

假如該技術能成功跨越商業化門檻,將有助於提升光電解水製氫的應用範圍,未來團隊則希望可將 HPEV 設備用於減碳等其他用途,目前研究已發表在《Nature Materials》。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:Flickr/Katy Warner CC BY 2.0))