
幾十年來,世界各地的研究人員一直在尋找利用太陽(yáng)能制氫的關(guān)鍵反應(yīng)方法,即如何將水分子分解為氫和氧。雖然大部分努力以失敗告終,少數(shù)結(jié)果也面臨成本過高的尷尬。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的一個(gè)研究小組仍然設(shè)法找到了一種低成本的“半”解決方案。
在最近發(fā)表在《自然通訊》期刊上的一篇文章中,學(xué)校的研究人員找到了一種利用陽(yáng)光有效地將氧分子與水分離的方法。
早在1970年代,研究人員就已經(jīng)提出了利用太陽(yáng)能生產(chǎn)氫氣的可能性。然而,由于無法找到有效催化的特殊材料,這種方法長(zhǎng)期以來一直沒有普及。
光電陽(yáng)極的幾何結(jié)構(gòu)和功能示意
科克雷爾工程學(xué)院電氣和計(jì)算機(jī)工程教授 Edward Yu 說:“你需要有效地吸收太陽(yáng)能,同時(shí)確保材料在水解反應(yīng)過程中不會(huì)降解?!?/span>
事實(shí)證明,在水分解反應(yīng)所需的條件下,善于吸收陽(yáng)光的材料往往不夠穩(wěn)定,穩(wěn)定的材料往往對(duì)陽(yáng)光的吸收能力較差。
研究圖一:金屬-絕緣體-半導(dǎo)體光陽(yáng)極示意圖
這些矛盾使得研究人員不得不在很多方面做出妥協(xié)。但是通過將多種材料組合到一個(gè)設(shè)備中,可以有效地解決這種沖突。
在這種情況下,研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合了一種可以有效吸收太陽(yáng)能的材料(如硅),輔以另一種穩(wěn)定性更好的材料(如二氧化硅)。
研究圖片 2:Al 尖峰后電阻變化
在實(shí)踐中,這帶來了另一個(gè)挑戰(zhàn)——要在硅中吸收太陽(yáng)能產(chǎn)生的電子和空穴,它必須能夠輕松穿過二氧化硅層。
一方面,這意味著層厚度不超過幾納米。另一方面,它會(huì)降低其保護(hù)硅吸收劑免于降解的有效性。
研究圖 3:Ni 電沉積的表征
好消息是,研究團(tuán)隊(duì)找到了一種方法,可以通過厚二氧化硅層創(chuàng)建導(dǎo)電路徑。新的解決方案可以低成本使用并擴(kuò)展到大規(guī)模生產(chǎn)過程。
為此,Edward Yu 和他的團(tuán)隊(duì)率先將這項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體電子芯片制造工藝中。
二氧化硅層涂有鋁薄膜,然后整個(gè)結(jié)構(gòu)用于形成鋁“尖峰”陣列,完全橋接二氧化硅層。然后它可以很容易地被鎳或其他有助于催化水分解的材料所取代。
當(dāng)暴露在陽(yáng)光下時(shí),這些設(shè)備可以有效地使水形成氧分子,同時(shí)在單獨(dú)的電極上產(chǎn)生氫氣,并在長(zhǎng)期運(yùn)行中表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性。
研究圖5:不同模型的電位分布模擬
更好的是,由于用于制造這些器件的技術(shù)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體電子產(chǎn)品的制造,因此新器件的批量生產(chǎn)也將相當(dāng)容易擴(kuò)大。
目前,該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)提交了臨時(shí)專利申請(qǐng),希望盡快將該技術(shù)商業(yè)化。
研究圖片 6:尖峰 Ni / SiO2 / P+n-Si 光電極的 PEM 表征和模擬
這項(xiàng)研究的詳細(xì)信息已發(fā)表在《自然通訊》雜志上。