AIST提升光電極電解製氫轉化效率

據fuelcellwork網站報道
，日本國家先進工業科技研究院（AIST）能源技術研究所下的太陽能轉化研究組開發出一種高效複層氧化物半導體光電極，將其雙層疊放用於光電解水反應中可達到1.35%的太陽能轉化效率，約為之前報道的氧化物光電極效率的2倍
，並大大降低了電解水製氫的電壓需求。

最新研發的高性能光電極（右）在碳酸鹽電解質中的光電解製氫反應。氫氣泡在對電極（左）表麵產生

weishixianjianshaotanpaifanghezuizhongbuyilaihuashiziyuandekechixufazhanshehui
，kezaishengnengyuandeyouxiaoliyongzhiguanzhongyao。taiyangnengzuoweizuifengfudekezaishengnengyuan
，qizhuanhuajishuquehaibuzuyitouzhushiyong。qizhongyizhongtaiyangnengzhiqingjishushishiyongkejiandanzhibeideyanghuawuzuoweiguangdianjilaishixianguangliejieshui，qichengbendilian，muqianzuoweiweilaiqingnengshehuidejichuyanjiuerbeishenruditansuo。ruguokaifachuyizhongtongtaiyangnengdianchiyiyanggaoxiao
，qierutongzuowuzaipeiyiyanglianjiaerjianbiandetaiyangnengzhiqingxitong，najiangyoulidijiejueshijienengyuanwenti。

多種太陽能轉化技術的比較

AIST長期致力於水分解製氫的多種氧化物半導體多孔光電極的研發。水電解所需的理論電位為1.23V，而由於裝置中的過電位的作用
，實際上電解電位比1.6V還要高。光電極的使用可以降低供電設備的電壓需求（本研究中的供電電壓僅為0.7 V），因(yin)而(er)使(shi)低(di)成(cheng)本(ben)製(zhi)氫(qing)成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)。在(zai)研(yan)發(fa)的(de)早(zao)期(qi)階(jie)段(duan)所(suo)使(shi)用(yong)的(de)單(dan)晶(jing)態(tai)的(de)和(he)高(gao)溫(wen)燒(shao)結(jie)的(de)二(er)氧(yang)化(hua)鈦(tai)都(dou)隻(zhi)能(neng)轉(zhuan)化(hua)紫(zi)外(wai)光(guang)波(bo)段(duan)的(de)光(guang)能(neng)。之(zhi)後(hou)歐(ou)洲(zhou)大(da)部(bu)分(fen)機(ji)構(gou)深(shen)入(ru)研(yan)究(jiu)了(le)能(neng)轉(zhuan)化(hua)可(ke)見(jian)光(guang)的(de)多(duo)孔(kong)氧(yang)化(hua)物(wu)半(ban)導(dao)體(ti)（氧化鎢WO₃和氧化鐵Fe₂O₃）。該氧化物半導體多為n型(xing)半(ban)導(dao)體(ti)，適(shi)用(yong)於(yu)析(xi)氧(yang)電(dian)極(ji)。氧(yang)化(hua)物(wu)半(ban)導(dao)體(ti)薄(bo)膜(mo)可(ke)通(tong)過(guo)濕(shi)法(fa)塗(tu)覆(fu)於(yu)導(dao)電(dian)基(ji)體(ti)上(shang)，且(qie)能(neng)在(zai)空(kong)氣(qi)中(zhong)直(zhi)接(jie)燒(shao)結(jie)成(cheng)成(cheng)品(pin)，因(yin)此(ci)很(hen)容(rong)易(yi)製(zhi)備(bei)大(da)麵(mian)積(ji)薄(bo)膜(mo)。然(ran)而(er)至(zhi)今(jin)報(bao)道(dao)的(de)氧(yang)化(hua)物(wu)半(ban)導(dao)體(ti)光(guang)電(dian)極(ji)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)氫(qing)能(neng)轉(zhuan)化(hua)率(lv)很(hen)低(di)（僅用氧化物為0.69%，負載貴金屬鉑為1.1%）。

下圖展示了n型半導體（如二氧化鈦）光(guang)致(zhi)電(dian)解(jie)水(shui)的(de)原(yuan)理(li)。光(guang)電(dian)極(ji)依(yi)次(ci)與(yu)輔(fu)助(zhu)電(dian)源(yuan)及(ji)對(dui)電(dian)極(ji)相(xiang)連(lian)
，當(dang)光(guang)被(bei)半(ban)導(dao)體(ti)光(guang)電(dian)極(ji)吸(xi)收(shou)
，價(jia)電(dian)子(zi)帶(dai)中(zhong)的(de)電(dian)子(zi)階(jie)躍(yue)到(dao)傳(chuan)導(dao)帶(dai)
，即(ji)光(guang)激(ji)發(fa)。傳(chuan)導(dao)帶(dai)中(zhong)的(de)電(dian)子(zi)通(tong)過(guo)輔(fu)助(zhu)電(dian)源(yuan)傳(chuan)導(dao)至(zhi)對(dui)電(dian)極(ji)，在(zai)其(qi)表(biao)麵(mian)產(chan)生(sheng)氫(qing)氣(qi)。光(guang)電(dian)子(zi)的(de)高(gao)能(neng)量(liang)僅(jin)需(xu)低(di)於(yu)常(chang)規(gui)水(shui)電(dian)解(jie)的(de)輔(fu)助(zhu)電(dian)壓(ya)就(jiu)能(neng)完(wan)成(cheng)電(dian)解(jie)。激(ji)發(fa)出(chu)光(guang)生(sheng)電(dian)子(zi)後(hou)價(jia)帶(dai)剩(sheng)下(xia)帶(dai)正(zheng)電(dian)的(de)空(kong)穴(xue)，能(neng)輕(qing)易(yi)的(de)從(cong)其(qi)他(ta)物(wu)質(zhi)奪(duo)取(qu)電(dian)子(zi)，即(ji)將(jiang)其(qi)他(ta)物(wu)質(zhi)氧(yang)化(hua)，因(yin)而(er)可(ke)通(tong)過(guo)氧(yang)化(hua)水(shui)放(fang)出(chu)氧(yang)氣(qi)。

半導體光電極電解水反應原理圖

通過光電極的作用，水可以在較低的電壓下被電解。那麼提高光電極的性能並建立一套光伏電池-光電極電解係統
，就可以代替單純靠光伏電池驅動的電解係統。如果所有波長在500nm或者600nm的光都被轉化利用於光電解反應，輔助電源的電壓需求可降至接近0，那麼理論太陽能轉化效率可分別達8%或15%。單純結合光伏電池與電解槽的係統轉化效率，可以通過簡單的光電極和更少的光伏電池來達到
，如下圖。

使用半導體光電極電解水製氫的優勢

本次AIST研yan究jiu的de氧yang化hua物wu光guang電dian極ji有you三san層ceng不bu同tong的de半ban導dao體ti薄bo層ceng構gou成cheng


，電dian解jie製zhi氫qing的de電dian解jie質zhi為wei高gao濃nong度du碳tan酸suan鹽yan電dian解jie質zhi。下xia圖tu給gei出chu了le光guang電dian極ji的de光guang學xue照zhao片pian和he電dian子zi顯xian微wei形xing貌mao像xiang。光guang電dian極ji由you三san層ceng不bu同tong的de半ban導dao體ti薄bo層ceng和he導dao電dian玻bo璃li基ji體ti緊jin密mi堆dui疊die構gou成cheng：氧化鎢（WO₃）為第一層，氧化錫（SnO₂)為第二層，釩酸鉍（BiVO₄）為第三層。每一層都通過旋轉塗膜工藝將含金屬離子的溶液塗覆於基體表麵並燒結成多孔薄膜。當光投射到BiVO₄的一側
，BiVO₄主要吸收波長高至520nm的可見光，WO₃層將光生電子高效的傳導出去，SnO₂層則減少表麵光生電子與空穴再複合的電流損失。

光電極照片（左）與電子顯微形貌像（右）

下圖展示了該氧化物光電極的伏安特性曲線。當在高濃度碳酸鹽電解質中使用這種三合一光電極裂解水時
，太陽能轉化效率為0.85%。兩塊該光電極疊放來進一步吸收太陽光時可將轉化效率提高到1.35%
，這(zhe)是(shi)目(mu)前(qian)世(shi)界(jie)上(shang)非(fei)貴(gui)金(jin)屬(shu)光(guang)電(dian)極(ji)能(neng)達(da)到(dao)的(de)最(zui)高(gao)的(de)的(de)轉(zhuan)化(hua)效(xiao)率(lv)
，幾(ji)乎(hu)是(shi)先(xian)前(qian)報(bao)導(dao)最(zui)高(gao)值(zhi)的(de)兩(liang)倍(bei)。這(zhe)種(zhong)光(guang)電(dian)極(ji)的(de)使(shi)用(yong)可(ke)將(jiang)水(shui)電(dian)解(jie)的(de)電(dian)壓(ya)需(xu)求(qiu)降(jiang)低(di)40%
，有望實現低成本電解製氫。

光電極的伏安特性曲線。水電解反應可以在更低的外部電壓下進行。

為(wei)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)光(guang)電(dian)極(ji)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)轉(zhuan)化(hua)效(xiao)率(lv)

，有(you)必(bi)要(yao)在(zai)進(jin)一(yi)步(bu)減(jian)少(shao)輔(fu)助(zhu)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)需(xu)求(qiu)的(de)同(tong)時(shi)增(zeng)加(jia)光(guang)生(sheng)電(dian)流(liu)。今(jin)後(hou)將(jiang)在(zai)以(yi)下(xia)方(fang)麵(mian)進(jin)一(yi)步(bu)開(kai)發(fa)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)：對更長波長可見光的充分利用、更低的導帶能量
、更(geng)高(gao)的(de)光(guang)電(dian)子(zi)與(yu)空(kong)穴(xue)分(fen)離(li)效(xiao)率(lv)。為(wei)達(da)到(dao)這(zhe)個(ge)目(mu)標(biao)，研(yan)究(jiu)者(zhe)們(men)已(yi)經(jing)建(jian)立(li)起(qi)一(yi)套(tao)機(ji)器(qi)人(ren)係(xi)統(tong)，自(zi)動(dong)在(zai)大(da)量(liang)的(de)材(cai)料(liao)及(ji)其(qi)組(zu)合(he)中(zhong)探(tan)索(suo)有(you)潛(qian)力(li)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)及(ji)其(qi)組(zu)合(he)複(fu)合(he)方(fang)式(shi)。通(tong)過(guo)該(gai)係(xi)統(tong)的(de)快(kuai)速(su)篩(shai)選(xuan)
，研(yan)究(jiu)者(zhe)們(men)有(you)望(wang)找(zhao)到(dao)能(neng)提(ti)高(gao)太(tai)陽(yang)能(neng)轉(zhuan)化(hua)效(xiao)率(lv)的(de)新(xin)材(cai)料(liao)以(yi)及(ji)新(xin)的(de)光(guang)電(dian)極(ji)製(zhi)備(bei)工(gong)藝(yi)。另(ling)外(wai)，高(gao)濃(nong)度(du)碳(tan)酸(suan)鹽(yan)電(dian)解(jie)質(zhi)中(zhong)，碳(tan)酸(suan)根(gen)離(li)子(zi)被(bei)認(ren)為(wei)作(zuo)為(wei)參(can)與(yu)氧(yang)化(hua)還(hai)原(yuan)循(xun)環(huan)的(de)催(cui)化(hua)劑(ji)來(lai)加(jia)速(su)水(shui)電(dian)解(jie)反(fan)應(ying)。研(yan)究(jiu)者(zhe)們(men)也(ye)對(dui)這(zhe)種(zhong)機(ji)製(zhi)進(jin)行(xing)研(yan)究(jiu)和(he)解(jie)釋(shi)
，以(yi)促(cu)進(jin)水(shui)電(dian)解(jie)係(xi)統(tong)效(xiao)率(lv)的(de)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)升(sheng)。