自“人造樹葉”概念提出以來，科學家一直對其寄予厚望，希望它最終能帶來一種廉價的自控制系統(tǒng)，為發(fā)展中國家的數(shù)十億人口提供電力。據(jù)物理學家組織網(wǎng)近日報道，美國麻省理工大學(MIT)的一個研究小組對“人造樹葉”系統(tǒng)的效率限制因素進行了詳細分析和再設(shè)計，使其更接近現(xiàn)實，并有望帶來一種實用、廉價的商業(yè)化樣機。相關(guān)論文發(fā)表在美國《國家科學研究學報》上。
“人造樹葉”系統(tǒng)結(jié)合了兩種技術(shù)：一是標準硅太陽能電池，將太陽能轉(zhuǎn)化為電力;二是連接電池兩邊的化學催化劑。二者結(jié)合就成為利用光電流把水分解為氫氣和氧氣的電化學設(shè)備，產(chǎn)生的氫氣可通過燃料電池或其他設(shè)備再用于發(fā)電。在這一系統(tǒng)中，光伏系統(tǒng)和電化學系統(tǒng)的性能都是確定的，因此二者結(jié)合起來的效率也是可以預測的。
在論文中，研究人員描述了他們設(shè)計的一個框架，指導人們怎樣把太陽能電池的輸出功率和電化學反應系統(tǒng)更有效地結(jié)合，提出了更經(jīng)濟地利用現(xiàn)有太陽能電池技術(shù)(如硅或碲化鎘)的方案，并確定了一些效率限值。“這是一份相當全面的分析，調(diào)查了目前市場上已有技術(shù)所能做到的最好情況。”MIT博士后馬克·溫克勒說。
研究小組曾于2011年首次展示他們的“人造樹葉”，但當時的轉(zhuǎn)化效率不到4.7%。新研究是對當初“概念性論證”的繼續(xù)。MIT機械工程副教授托尼奧·博納西斯表示，根據(jù)最新分析，使用晶體硅等單一帶隙半導體，結(jié)合鈷、鎳基氧化催化劑，最大轉(zhuǎn)化效率可能達到16%或更高。
“我們也很吃驚。”溫克勒說，傳統(tǒng)觀點認為，硅太陽能電池的特點嚴重限制了它們分解水的效率，但事實并非如此。提高“太陽能—燃料”轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵是把合適的電池與合適的催化劑結(jié)合，這就需要一份路線圖，指導人們怎么配對才能達到最優(yōu)。博納西斯表示，用他們設(shè)計的框架進行模擬，以傳統(tǒng)硅電池為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，最大效率限值約為16%;而對砷化鎵電池系統(tǒng)來說，效率限值可達到18%。
論文作者之一、前MIT研究生卡珊德拉·科克斯說：“該論文的重要意義在于，它描述了現(xiàn)有的所有這類技術(shù)以及我們把這些技術(shù)結(jié)合起來的效果。它還指出了所有要面對的挑戰(zhàn)，研究人員可以通過實驗單獨分析這些不利因素。”
比如標準硅太陽能電池產(chǎn)生的電壓約為0.7伏，而水分解反應需要1.2伏以上的電壓。解決方案之一是把多個電池串聯(lián)起來。雖然電池接口會損失能量，但也不失為一個有前景的研究方向。另一個不利因素是水本身，電子必須穿過整個電路，這會產(chǎn)生電阻，一種提高效率的方法是降低溶液電阻，這可以通過“一些技巧”來實現(xiàn)，例如用內(nèi)插板來減小反應兩邊的距離。
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