NREL创造太阳能制氢新纪录

据国外网站报道，美国能源部（DOE）国家可再生能源实验室（NREL）的科学家通过光电解水过程成功制得氢气。本次光解制氢过程是目前太阳能制氢的最高效率记录（16.2%）。

来自德国TU Ilmenau，Fraunhofer ISE和加州理工学院的研究人员组成的国际团队在2015年达到了14%的效率。 Nature Energy中一篇题为“通过倒置变质多功能半导体实现太阳能电解水制氢”详细叙述了NREL的新纪录是如何创造的。作者包括来自NREL的James Young，Myles Steiner，Ryan France，John Turner和Todd Deutsch，以及德国腓立比大学的HenningDöscher。新开发的PEC单元代表了Turner在20世纪90年代在NREL开发的概念设备的重大变化。

比较新旧PEC工艺，都通过串联的半导体，浸渍于酸溶液中，用于吸收太阳光能水解制的氢气。但是，与原先的PEC电池单元在砷化镓（GaAs）顶部生长出铟镓磷化（GaInP2）不同的是新的PEC电池从上到下逐渐生长，形成独特倒置变质多功能（IMM）结构。IMM的出现使得NREL研究人员能够将砷化铟镓（InGaAs）替代为常规GaAs层，从而大大提高了器件效率。新进展的第二个关键特征是在器件的顶部沉积出薄的磷化铟铝（AlInP）“窗口层”，接着出现GaInP2薄层。这些额外的层可消除PEC表面的缺陷，防止效率降低，并保护关键的下层部分不会腐蚀电解质溶液、半导体材料，延长了PEC电池的使用寿命。

Turner的突破性方法创造了一种更加高效的制氢方法，并且整个过程中只有太阳能作为唯一的能量来源。在次之前，也有很多利用太阳能光解制氢的方法，但是会产生额外的损耗。如商业太阳能电池产生的电能可由电力转换系统输送至电解槽进行利用，整个过程中的STH效率仅为12%。Turner的直接方法使STH的效率记录提升到了12.4%，但目前已被NREL的新PEC电池超越。

氢气的生产成本能否降低至美国能源部规定的每千克2美元以下，是PEC技术能否实现商业化的一个障碍之一。同时这也对电池的完善提出了建议，还须不断提高电池的效率和寿命，通过减少系统的平衡支出来降低制氢成本。当前电池的耐久性需在当前几个小时的基础上进一步延长，从而降低电池使用成本。目前提出解决电池耐久性的替代结构是将设备直接连接到外部电解槽中而不是浸没在酸性电解液中，但是由DOE委托进行的经济技术分析表明，浸没结构的制氢成本较低。最新的研究由能源部的能源效率和可再生能源办公室燃料电池技术办公室资助。