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《人工光合作用实现！太阳能直接水解制氢技术取得了突破》

  • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者： guokm
  • 发布时间：2019-12-06

  • 在由弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(ISE)领导、伊尔梅瑙工业大学(Ilmenau University)参与的一个合作项目中，科学家们取得了空前的太阳能电池效率：24.3%——一个新的太阳能电池效率的里程碑，在未来可以取代传统的硅太阳能电池。

    然而，最重要的是，这种新电池还可以用于直接太阳能水解产氢，许多人认为这是面向未来的再生能源。

    伊尔梅瑙工业大学“能源材料基础”系的科学家致力于改进硅和所谓的III-V材料之间的界面的制备。这种多电池的接触点，即由两个或多个不同材料层组成的太阳能电池，对电池的性能至关重要。当在硅上生长III-V层时，应注意确保原子在晶格中的正确位置，因为晶格中的缺陷会严重损害电池的性能。

    在MehrSi项目中，伊尔梅瑙的科学家们做出了一些改进，让制造过程成为可能，使得材料之间的过渡非常成功。

    MehrSi项目的研究成果也代表了“直接太阳能水解电池”发展的一个里程碑。在这样的光电双电池(photoelectrochemical double cells)中，水在阳光的帮助下被有效地分解成氢和氧，因此专家们也把这个过程称为“人工光合作用”或“人造树叶”。

    托马斯·汉纳佩尔(Thomas Hannappel)是“能源材料基础”部门的负责人，负责协调伊尔梅瑙工业大学的研究工作。他解释了这种新电池技术的优势：“使用简单的太阳能电池，无需附加组件，通过阳光的照射即可进行高效、直接的进行水解。这只能通过MehrSi项目中开发的多个单元来实现。这为太阳能——氢的生产和储存开辟了新途径。”汉纳佩尔教授相信，在未来的可持续能源系统中，氢将作为存储介质发挥核心作用。

    (原文来自：燃料电池工程 中国新能源网综合)

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    • 编译者：shenxiang
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    • 硅藻，一种繁衍十分迅速的硅藻类植物，它们的无定型二氧化硅壳体以及独特的立体结构，可以使光在细胞内进行充分的光合作用。在人类发明硅基太阳能电池之前，自然界中的硅藻早已开始利用二氧化硅来收集太阳能。近年来，众多国内外研究人员就希望利用硅藻的光学特性来推动太阳能技术取得突破。 硅藻特殊结构发挥重要作用 藻类有200个门，10万多个种，大多数生活在海水中，能利用太阳能进行光合作用。藻类是世界上光能利用最成功、光能利用率最高的有机体，其能较少的反射太阳光，并通过网格毛孔捕获太阳能。 藻类高效利用阳光的最大秘密在于其外壳，其中单细胞的硅藻外壳是最佳模型。硅藻外壳是由结构极为复杂精密的二氧化硅组成10~50nm 的六边形微孔排列形成丝网状结构，复杂的结构能使射进的光线无法逃逸，这种纹饰繁密的藻壳不仅增强了硅藻的硬度和强度，使其具有能悬浮起来的机械性，而且提高了其运输营养物质和吸附、附着的生理功能，且阻止了有害物质进入，增强了光吸收率。 研究人员在很多具有分级多孔结构的生物材料中发现了天然的光子晶体效应，硅藻的特殊结构让它成为一种良好的光子晶体，能够大大提升光捕获效率，这种特性让硅藻在太阳能电池中发挥了重要的作用。 硅藻天然材料降低所需成本 硅藻这种微小生物对有机太阳能电池(相较于传统太阳能技术，这种技术成本更低)的设计有着独特的价值。因为设计这些电池的一个挑战是，它们需要非常薄的活性层(只有100到300纳米)，而这限制了它们将光能转化为电能的效率。 解决这个问题的方案便是嵌入能够吸收与分散光的纳米结构来提高吸收水平，但这对于大规模生产来说太贵了。而这恰恰就是硅藻能够起作用的地方。经过数十亿年的适应性进化，它们已经尽可能优化了吸收光的能力。而且它们是自然界中最常见的浮游植物，这就意味着它们很便宜。硅藻在世界各地的海洋和淡水中非常普遍，因而成本非常低，所以它们成为改善光伏发电的理想选择。 硅藻有效提高能量转换效率 藻类外壳利用阳光的构筑是未来太阳能电池原材料和模型构筑的最佳供体。有机光伏太阳能电池具有由有机聚合物制成的活性层，这意味着它们比常规太阳能电池便宜，但它们的转换效率不太高，主要因为其有源层非常薄，通常需要小于300纳米，因此这限制了转换效率。 而利用硅藻的光学特性，将硅藻加入到染料敏化太阳能电池（是以低成本的纳米二氧化钛和光敏染料为主要原料，模拟自然界中植物利用太阳能进行光合作用，将太阳能转化为电能）的二氧化钛薄层后，能量转换效率是原转换效率的1.3-1.4倍（而把硅藻壳体加入到二氧化钛中烧结形成电池阳极，增加了光捕获和在电池中的散射性能，传统二氧化钛覆膜３遍的转换效率为3.8%，加入了硅藻壳体的二氧化钛转换效率可以达到5.26%）。 硅藻对于人类来说就是一个未开发的宝藏，除了在太阳能光伏材料上能有效的突破目前的能量转换效率，而且在其他领域还有着相同重要的应用。例如硅藻细胞代谢产生的多糖、蛋白质、色素、油脂等，使其在食品、医药、基因工程、液体燃料等多个领域都有极大的开发前景。 通过硅藻壳生产的微纳米二氧化硅是自然界独一无二、纯度极高的生物无机材料，也是最佳微纳生物平台材料，当然硅藻在养殖过程中也能吸收二氧化碳释放大量氧气，对环境有着巨大的贡献。
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