人工光合作用，即利用光照將水分離為氫氣和氧氣的過(guò)程，可以使得太陽(yáng)能以氫氣的形式存儲(chǔ)。氫氣可直接用作燃料，或者以甲烷的形式，或者是用燃料電池發(fā)電。
亥姆霍茲柏林中心(HZB)與荷蘭代爾夫特理工大學(xué) (TU Delft) 的科學(xué)家們合作開(kāi)發(fā)了這款設(shè)備，他們采用簡(jiǎn)單的光伏電池片以及金屬氧化物釩酸鉍制成的光陽(yáng)極（或者BiVO4），成功以氫氣的形式存儲(chǔ)近5%的太陽(yáng)能。
光陽(yáng)極BiVO4中增加了少量的鎢原子，噴射至一片導(dǎo)電玻璃上，并鍍上了一層價(jià)格低廉的鈷有機(jī)磷酸鹽。
亥姆霍茲柏林中心太陽(yáng)能燃料研究院的負(fù)責(zé)人Roel van de Krol表示，基本上而言，我們實(shí)現(xiàn)了兩全其美。我們先用一種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且低成本的金屬氧化物加上一種硅基薄膜太陽(yáng)能電池，然后，我們就創(chuàng)造出了一種高成本效益、高穩(wěn)定性且高效的太陽(yáng)能燃料設(shè)備。
此類(lèi)研究的潛能極大。以德國(guó)為例，研究人員稱(chēng)，太陽(yáng)能發(fā)電性能為每平方米600瓦，那么理論上而言，光照一小時(shí)，此類(lèi)100平方米的系統(tǒng)可以氫氣的形式存儲(chǔ)3kWh的電能。隨后這些電能可以在夜間或者需要的時(shí)候使用。
更趨簡(jiǎn)約的設(shè)計(jì)
該研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的硅基薄膜太陽(yáng)能電池并添加金屬氧化物層。氧化物層僅僅是與水接觸的電池片的一部分，并作為光陽(yáng)極形成氧氣。同時(shí)，這有助于防止硅基電池的腐蝕。研究人員系統(tǒng)地檢查并優(yōu)化了工藝，例如光吸收、電荷分離、水分子分解。據(jù)van de Krol透露， 當(dāng)光陽(yáng)極采用釩酸鉍制成，那么太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為化學(xué)能的效率可以達(dá)到9%。采用鈷有機(jī)磷酸鹽，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功大幅加快了氧氣形成的過(guò)程。
最大的挑戰(zhàn)
然而，據(jù)研究團(tuán)隊(duì)表示，最大的挑戰(zhàn)在于將電荷與釩酸鉍分離開(kāi)來(lái)。即使金屬氧化物廉價(jià)且性質(zhì)穩(wěn)定，但是電荷載體可以快速再結(jié)合，致使無(wú)法發(fā)生水裂解。Van de Krol和他的團(tuán)隊(duì)們?cè)O(shè)法解決了這一問(wèn)題，他們用一種非常特殊的方式在釩酸鉍薄膜中添加了鎢原子。
這創(chuàng)造了一種內(nèi)部電場(chǎng)，可有助于防止電荷載體再結(jié)合。通過(guò)重復(fù)將不同的鎢噴射到玻璃上，從而創(chuàng)造出一種大約300納米厚的高效光敏化金屬氧化薄膜。
van de Krol表示，我們不是很明白為什么釩酸鉍比其他金屬氧化物的效果更好。但是我們發(fā)現(xiàn)80%以上的入射光子可以產(chǎn)生電流，可產(chǎn)生意想不到的高電流，并創(chuàng)造了金屬氧化物的一個(gè)新紀(jì)錄。
下一個(gè)挑戰(zhàn)是將此類(lèi)系統(tǒng)擴(kuò)增至幾個(gè)平方米，從而可產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的氫氣。
