美國為“人造樹葉”設計太陽能轉化效率路線圖

　　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，為發展中國家的數十億人口提供電力。據物理學家組織網近日報道，美國麻省理工大學(MIT)的一個研究小組對“人造樹葉”系統的效率限制因素進行了詳細分析和再設計，使其更接近現實，并有望帶來一種實用、廉價的商業化樣機。相關論文發表在美國《國家科學研究學報》上。

　　“人造樹葉”系統結合了兩種技術：一是標準硅太陽能電池，將太陽能轉化為電力；二是連接電池兩邊的化學催化劑。二者結合就成為利用光電流把水分解為氫氣和氧氣的電化學設備，產生的氫氣可通過燃料電池或其他設備再用于發電。在這一系統中，光伏系統和電化學系統的性能都是確定的，因此二者結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更有效地結合，提出了更經濟地利用現有太陽能電池技術(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，調查了目前市場上已有技術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”，但當時的轉化效率不到4.7%。新研究是對當初“概念性論證”的繼續。MIT機械工程副教授托尼奧?博納西斯表示，根據最新分析，使用晶體硅等單一帶隙半導體，結合鈷、鎳基氧化催化劑，最大轉化效率可能達到16%或更高。

　　“我們也很吃驚。”溫克勒說，傳統觀點認為，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”轉化效率的關鍵是把合適的電池與合適的催化劑結合，這就需要一份路線圖，指導人們怎么配對才能達到最優。博納西斯表示，用他們設計的框架進行模擬，以傳統硅電池為基礎的系統，最大效率限值約為16%；而對砷化鎵電池系統來說，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，它描述了現有的所有這類技術以及我們把這些技術結合起來的效果。它還指出了所有要面對的挑戰，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，例如用內插板來減小反應兩邊的距離。