太阳能氢气发电性能显着提高

他们的采石场是一种潜在高效，具有成本效益的光电化学(PEC)电池-基本上是一种产生氢气而不是电流的太阳能电池。“太阳能的一个主要挑战是处理太阳能间歇性问题，”NIST化学工程师DanielEsposito说。“我们不断要求能源，但太阳并不总是闪耀，所以将太阳能转换成我们可以在太阳不出来时使用的形式的重要需求。对于大规模储能或运输，氢气有很多好处。“

最简单的是，PEC电池包含一个半导体光电极，它吸收光子并将它们转换成高能电子，这些电子用于促进将水分子分解成氢气和氧气的化学反应。那并没那么简单。Esposito表示，最好的PEC电池的效率约为12.5%。但是，“据估计，这样的电池非常昂贵-每平方米数千美元-而且它们也存在稳定性问题，”他说。一个大问题是用于实现最佳转换效率的半导体也倾向于非常容易受到电池水基电解质的腐蚀。生产高效，稳定且经济的PEC电极一直难以捉摸。

NIST团队提出的解决方案是使用金属-绝缘体-半导体(MIS)设计的硅基器件，可以克服效率/稳定性权衡。关键是在半导体-硅顶部沉积一层非常薄但非常均匀的二氧化硅-绝缘体-非常适合进行光子收集工作。最重要的是一个由铂金覆盖的钛构成的圆点电极阵列。稳定的氧化层保护半导体免受电解质的影响，但它足够薄且足够透明，光子将通过它传播到半导体，光生电子将沿相反的方向“隧道”到达电极，铂催化产生氢的反应。

MIS设备需要良好的生产控制-特别是氧化层必须精确沉积-但Esposito指出，他们使用了电子行业标准的制造技术，该技术在建造低成本硅片方面拥有数十年的经验-基于设备。

为了详细研究该系统，NIST团队用激光束扫描设备表面，一次只照射一小部分，以微米分辨率记录光电流。与光束一起，它们还跟踪表面上的“超微电极”，以测量分子氢的产生速率，即反应的化学一半。**这种组合使他们能够观察到MIS光电极设计的两个额外效果：a由电子引导通过氧化物层引起的氢生成的辅助机制，以及比预测的更有效的电子向反应位点的传输。

NIST团队计算出的设备效率为2.9%，在运行过程中也表现出极佳的稳定性。虽然这种效率远低于更昂贵的设计，但他们指出，它比先前报告的类似硅基MIS设备的结果好15倍，而且系统微观分析的新数据指向了改善性能的几条潜在途径。详细结果见NatureMaterials。

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