新方法让太阳能水解制氢更加廉价高效

太阳能电池的低转化率一直困扰着科学家们，而瑞士的研究人员找到了一种低成本制作光电化学电池的方法，这种新型电池大幅提高了光的转化率，并将光能最终转化成氢气——一种绿色能源。

图片来源GUILLAUME SOUVANT / AFP 

虽然太阳一小时提供的能量就足够人们用一年，但是太阳能在全球使用的能量中只占区区1%。很多研究人员都致力于制造能更高效地将太阳光转化成电能的电池。不过，有些研究者在尝试把太阳能转化成燃料，他们使用的是所谓的光电化学电池（photoelectrochemical cells，下文简称PEC电池）。可惜，PEC电池的制作工艺大多很复杂，转化效率也很低。不过，瑞士联邦材料科学与技术研究所（Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology）的FlorentBoudoire和Artur Braun认为，他们已经找到了改进制造工艺的方法。

Boudoire先生和Braun博士感兴趣的这种PEC电池可将光能用于水的电解，产物则是氢气和氧气。他们首先用光电极把光能转化成电能，之后再将其用于电解水，最终就生成了氢气和氧气。

这种PEC电池使用三氧化二铁（Fe2O3）和氧化钨（WO3）来捕获光能。其中，Fe2O3吸收可见光而WO3吸收紫外光。除此之外，WO3还拥有很高的折射率。这就是说，一旦进入WO3内部，光线就会在其中来回反射，很难逃出来，这种内反射现象增加了光线被吸收的几率。因此，二者联用可以吸收多达35%的入射光。

因此，理论上这种电池前景不错。不过，人们发现这个方法并不实际，因为Fe2O3导电性能不佳，除非把它做成很薄的一层薄膜。而如果做成薄膜，又无法吸收足够的光能来电解水了。

一种办法是使用平版印刷技术（lithography）提高电池吸收光的能力。该技术可以塑造电池各组分的形状，同时也给电池涂上改变其电性能的物质。不过，这种方法成本高昂。所以Boudoire先生和Braun博士要寻找一种低成本的方法。

他们在一篇即将发表在《能源与环境科学》杂志（Energy & Environmental Science,IF:11.653）上的论文中描述了这种方法：首先制备直径几百个纳米的WO3小球，之后涂上薄薄的一层Fe2O3。这种结构不仅能使内反射最大化现象，同时反射光还能在两种物质的界面处被Fe2O3吸收。关键的是，研究人员已经找到了低成本的制造方法。

首先，将钨酸铵溶液与聚合物混合生成乳浊液，其中每个聚合物小液滴中都含有钨酸铵。将其喷涂在一层玻璃上后干燥。接下来，在玻璃置于炉子中加热，以烧掉其中的聚合物，这样小液滴就会转化成氧化钨小球。最后，将硝酸铁溶液喷涂在制成的氧化钨小球上，再次焙烧就可以在小球外层生成氧化铁。

这种PEC电池的光吸收能力，以及将光能转化成电能的能力都很好，并且该法容易大规模进行。也就是说，这种方法制备的PEC电池有可能工业化。接下来生成的氢气可以当做燃料出售，可以就地储存，到晚上用来发电。

意外地是，实验结束后研究人员发现，大自然早就这么做过了。他们制造具备球形光线捕获器的电池，其微观结构与蛾类眼睛的结构很像。后者眼中也有微小的可以吸收光线的小球，蛾类进化出这样的眼部结构是为了在黑暗中尽量多得捕获光线，同时尽量不反射光线，避免被捕食者发现。在某种程度上讲，日光之下无新事。