NREL创造太阳能制氢世界纪录

美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)的科学家通过光电化学(PEC)水分解过程重新获得了太阳能制氢的最高效率记录。

新的太阳能氢(STH)效率记录为16.2%，2015年，由Helmholtz-Zentrum，TU Ilmenau，Fraunhofersie和加州理工学院的研究人员组成的国际团队报告效率为14%。在一份题为“通过反向变形多结半导体架构从太阳直接转化为氢气”的文件中，自然能源概述了NREL的新纪录是如何实现的。作者是来自NREL的詹姆斯杨、迈尔斯斯坦纳、瑞恩弗朗斯、约翰特纳和托德多伊奇，以及来自德国菲利普大学的亨宁多舍尔。她的家族与NREL有联系。

record PEC装置代表了Turner于20世纪90年代在NREL开发的概念设备的重大变化。

新旧PEC工艺均采用叠加吸光系列半导体，半导体浸没在酸/水溶液(电解液)中，在其中发生水分解反应，生成氢气和氧气。然而，与砷化镓(GaAs)生长的磷化铟(GaInP2)制成的原始器件不同，新的PEC电池从上到下颠倒生长，产生了所谓的反向变质多结(IMM)器件。

IMM的这一进展使NREL的研究人员能够用铟镓砷(InGaAs)取代传统的GaAs层，从而显著提高了设备效率。新进展的第二个关键区别特征是在器件顶部沉积非常薄的铝铟磷化物(AlInP)“窗口层”，随后是第二薄层GaInP2。这些附加层用于消除表面上的缺陷，否则效率将降低，关键的下层将被部分保护免受腐蚀性电解质溶液的影响，这将使半导体材料退化并限制PEC电池的寿命。

特纳最初的突破创造了一种有趣的新方法，通过利用阳光作为唯一的能源来有效地分解水，从而制造可再生的氢气。其他利用阳光的方法需要额外的损耗产生步骤。比如商用太阳能电池产生的电能可以通过电力转换系统送到电解槽，将水分解成氢气和氧气，STH效率在12%左右。特纳的直接方法创下了12.4%的STH效率的长期无与伦比的纪录，这一纪录已被NREL的新PEC电池超越。

在PEC技术变得商业可行之前，有必要降低氢气的生产成本，以满足DOE每千克氢气低于2美元的目标。为了实现这一目标，需要不断提高电池效率和寿命。进一步提高效率将增加单位面积的氢气生产率，从而通过降低系统平衡支出来降低氢气的成本。结合效率的提高，当前电池配置的耐久性需要显著延长其使用寿命几个小时以上，从而显著降低成本。NREL的研究人员正在积极寻求提高PEC设备使用寿命和进一步提高效率的方法。

虽然设备不浸入酸性电解液而是连接到外部电解池的替代配置将解决耐久性挑战，但DOE委托的技术和经济分析表明，浸没式设备有可能产生较低的氢气。成本。

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