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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」。
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》。
A solar cell that does double duty for renewable energy
Hybrid cell turns sunlight and water into hydrogen and electricity
(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:Flickr/Katy Warner CC BY 2.0))
科技新知
人工光合作用設備研究又一樁,更具備發電製氫雙重功效
- 發佈日期:2018/11/5
- 資料來源:科技新報
- 點閱次數:1105次
發布日期 2018 年 11 月 02 日 14:37 | 作者 EnergyTrend |
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》。
A solar cell that does double duty for renewable energy
Hybrid cell turns sunlight and water into hydrogen and electricity
(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:Flickr/Katy Warner CC BY 2.0))