榨干阳光:人造树叶发展路线图诞生

  化学

2011年科学家们就研制出了第一片可投入实用的人造树叶原型,果壳网当时也对此进行了报道。最近,有关人造树叶,科学家们又取得了一项新的进展,使得人类距离更加有效地利用太阳能又近了一步。

来自麻省理工学院(MIT)的研究人员近日表示,他们对可将太阳能转化为储备能源的人造设备(即“人造树叶”)进行了多方面的细致研究,摸清了可能限制太阳能转化效率的多项因素。在这份研究的基础上,人们就能够有根据地提升人造树叶的转化效率,最终打造出可用的、价格低廉的、有商业价值的人造树叶产品。

所谓“人造树叶”并非将光能转化为电能输送走的太阳能电池板,它的能源输出是氢气等可通过物理方式进行储备的物质。等到需要时,人们可以通过燃烧等方式将能源转化为电力的形式以供使用。

这份研究论文被发表在本周的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上,作者为麻省理工学院机械工程副教授托尼奥·伯纳斯西斯(Tonio Buonassisi)、哈佛大学教授丹尼尔·诺赛拉(Daniel Nocera)等,此研究是他们在2011年一项相关研究的后续部分,当时他们制造了一个人造树叶设备,将其置于水中并接受光照,该设备会吐出氢气与氧气气泡,如下面这个视频所示。

这种人造树叶的原理很简单,一块普通的硅太阳能电池就可以将光能转化为电能,然后在催化剂与电流的共同作用下,与设备接触的水分子会被电解为氢气与氧气。研究人员们希望,这种设备能够通过廉价的大众材料制造出来,最终帮助发展中国家地区的民众用上便宜方便的电。

研究人员卡桑德拉·考克斯(Casandra Cox)指出:“我们研究结果的意义重大之处在于,它涉及的全是人类已有的科技,但我们需要将这些技术整合应用。我们指出了应用中可能出现的各种挑战,后来者可以分离变量,然后一项一项攻破。”马克·温克勒(Mark Winkler)补充道:“这是个卓越的分析,为人们规划了该怎样用目前的技术做出最好的产品。”

2011款的人造树叶存在转化效率低下的大问题:其光能转化率不足4.7%。根据这份研究结果,人们应该能够将此数值提高到16%或更多,而且需要晶体硅一类的现成材料即可。

温克勒表示,传统思维认为,硅太阳能电池无法高效地完成电解水的工作,但事实并非如此。“我们对自己的发现很吃惊,看来大家都不该盲信传统思维。”

提高人造树叶转化功率的关键在于选用正确的太阳能电池和催化剂,而这样一份深入的研究将为配对工作提供大量的帮助。有了上述研究结果,科研人员可以对人造树叶的每个组件进行独立研究,之后再将其整合起来。

以电压为例,伯纳斯西斯表示,正常硅太阳能电池产生的电压为0.7伏,但电离水的理想电压为1.2伏以上,所以人们可以选择将多个电池串联。这样虽然会造成一定的损耗,但却能提高整体的转化效率。再比如,伯纳斯西斯指出,电子在运动过程中遭遇的电阻也影响了人造树叶的转化效率,一个比较好的解决方法是,减少电子在水中位移的距离。

“在我们的模型中,关于影响转化效率的因素,我们有一整个框架的内容。” 伯纳斯西斯透露,使用硅太阳能电池的最大转化效率为16%,而被人们认为是更好替代品的砷化镓电池(gallium arsenide cells)最大转化效率可达18%。他们提出了模型和理论值,就是为了激发后来者去发挥聪明才智,从而达到这个目标。“有了理论的基石,人们才能拥有向着完美值前进的动力与勇气。”

不过伯纳斯西斯也指出,理论毕竟是理论,还需要实践的检验。此前有许多关于太阳能电池转化效率的“理论最高值”已经被现实所超越。“我们不一定总是正确,但这类研究能够为将来的发展指路,还能为研究人员设置一些导向目标。”

文章编译自: MIT MIT researchers develop solar-to-fuel roadmap for crystalline silicon

作者:David L. Chandler

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