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數(shù)十年來(lái)，世界各地的研究人員一直在尋找利用太陽(yáng)能來(lái)制氫的關(guān)鍵反應(yīng)方法，即如何將水分子分解成氫氣和氧氣。盡管大多數(shù)努力以失敗而告終，且少數(shù)成果也面臨著成本過(guò)高的尷尬。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的一支研究團(tuán)隊(duì)，還是設(shè)法找到了一種低成本的“半個(gè)”解決方案。


水裂解裝置示意（來(lái)自：UTEXAS / 科克雷爾工程學(xué)院）

在近日發(fā)表于《自然通訊》期刊上的一篇文章中，該校研究人員找到了一種利用陽(yáng)光來(lái)有效從水中分離氧分子的方法。

早在 1970 年代，就已經(jīng)有研究人員提出了利用太陽(yáng)能來(lái)制氫的可能性。但由于無(wú)法找到有效催化的特殊材料，該方法遲遲未能流行開(kāi)來(lái)。

    光電陽(yáng)極期間的幾何結(jié)構(gòu)與功能示意

科克雷爾工程學(xué)院的電氣與計(jì)算機(jī)工程系教授 Edward Yu 表示：“你需要高效地吸收太陽(yáng)能，同時(shí)確保材料不會(huì)在水解反應(yīng)時(shí)被降解”。

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，而穩(wěn)定的材料又常常對(duì)陽(yáng)光的吸收能力較差。


研究配圖 - 1：金屬-絕緣體-半導(dǎo)體光陽(yáng)極示意

這些矛盾點(diǎn)，使得研究人員必須在多方面有所折衷。但通過(guò)將多種材料組合到單體設(shè)備中，即可有效化解這種沖突。

此例中，研究團(tuán)隊(duì)就結(jié)合了一種能夠高效吸收太陽(yáng)能的材料（比如硅），輔以穩(wěn)定性更好的另一種材料（例如二氧化硅）。


研究配圖 - 2：Al尖峰后的電阻變化

實(shí)際運(yùn)用中，這又帶來(lái)了另一項(xiàng)挑戰(zhàn) —— 在硅中吸收太陽(yáng)能所產(chǎn)生的電子和空穴，必須能夠輕松地穿過(guò)二氧化硅層。

一方面，這意味著層厚度不超過(guò)幾納米。但另一方面，它這又會(huì)降低其保護(hù)硅吸收劑免于降解的有效性。


研究配圖 - 3：Ni 電沉積的表征

好消息是，研究團(tuán)隊(duì)找到了一種通過(guò)厚二氧化硅層來(lái)創(chuàng)建導(dǎo)電路徑的方法。新方案能夠低成本地運(yùn)用，并擴(kuò)展到大批量生產(chǎn)流程中。

為此，Edward Yu 及其團(tuán)隊(duì)率先在半導(dǎo)體電子芯片制造工藝中運(yùn)用了這項(xiàng)新技術(shù)。


研究配圖 - 4：Ni/90 nm SiO2/n-Si 光電層的 PEC 表征

通過(guò)鋁薄膜涂覆二氧化硅層，然后價(jià)格整個(gè)結(jié)構(gòu)，以形成鋁“尖峰”陣列，并完全橋接二氧化硅層。然后就可輕易被鎳、或其它有助于催化水分解的材料所取代。

當(dāng)受到陽(yáng)光照射時(shí)，這些器件能夠有效地將讓水形成氧分子，同時(shí)在單獨(dú)的電極上產(chǎn)生氫氣，并在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行期間表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性。


研究配圖 - 5：不同模型的潛在分布模擬

更棒的是，由于制造這些設(shè)備的技術(shù)，已被廣泛運(yùn)用于半導(dǎo)體電子產(chǎn)品的制造，所以新裝置的大規(guī)模生產(chǎn)也將相當(dāng)容易擴(kuò)展。

目前該團(tuán)隊(duì)已提交臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)，并期望盡快將該技術(shù)投入商業(yè)化。


研究配圖 - 6：Ni / SiO2/ P+n-Si 光電極的尖峰表征與模擬

有關(guān)這項(xiàng)研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《Nature Communications》期刊上。 

原標(biāo)題：太陽(yáng)能制氫新突破 研究團(tuán)隊(duì)剛搞定了低成本制氧這“半個(gè)”問(wèn)題