新光電化學(xué)系統(tǒng)∶高效兼低成本地轉(zhuǎn)化太陽能為氫
氫氣因產(chǎn)能過程零排放而成為未來環(huán)保燃料的寵兒，利用太陽能有效地產(chǎn)氫的光電化學(xué)近年因而成為科研界的熱門課題。香港城市大學(xué)（香港城大）的研究人員便成功研發(fā)出新的光電化學(xué)系統(tǒng)，可將轉(zhuǎn)化效率由一般的3%大幅提升至近9%，而且穩(wěn)定性最長(zhǎng)超過150小時(shí)，是同類系統(tǒng)的最高紀(jì)錄，成本亦大減一半。
利用太陽能結(jié)合半導(dǎo)體材料作為催化劑，進(jìn)行被喻為人工光合作用的光電化學(xué)反應(yīng)，是將水分解為氧氣及氫氣，環(huán)保地制氫的方法之一。不過礙于技術(shù)所限，太陽能轉(zhuǎn)化氫氣的效率一般甚低，加上性能不穩(wěn)定和成本昂貴，使光電化學(xué)系統(tǒng)未能普及應(yīng)用。
傳統(tǒng)光電化學(xué)系統(tǒng)半導(dǎo)體易被腐蝕
本身是光電工程學(xué)專家的香港城大材料科學(xué)及工程學(xué)系教授何志浩教授指出，在眾多用作水分解的光電化學(xué)物料中，三五族半導(dǎo)體（III-V semiconductors）最受注目，特別是InGaP（磷化銦鎵）和GaAs（砷化鎵）。因?yàn)檫@兩種化合物具有極佳的光物理特性，但缺點(diǎn)是性能不穩(wěn)定。他說：“三五族半導(dǎo)體在水分解的過程中，無可避免會(huì)出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)而被腐蝕，因而令系統(tǒng)急速失效。”
何教授表示，目前差不多所有用硅與三五族半導(dǎo)體的光電化學(xué)系統(tǒng)，都沿用傳統(tǒng)的單面元件結(jié)構(gòu)，即是將所有主要的元件包括光吸收層、表面保護(hù)層及催化劑集合在光電化學(xué)裝置的其中一面，而背面則多用作電路連接，但問題因而衍生。他解釋，由于表面保護(hù)層及催化劑都在光吸收層之上，兩者造成的光反射明顯阻礙光的吸收，并在水分解過程中導(dǎo)致光電流的下降，而且部分光子亦會(huì)在經(jīng)過GaAs基板時(shí)流失。
重組光吸收層及催化劑層的位置
針對(duì)以上現(xiàn)有光電化學(xué)系統(tǒng)不足之處，何教授與研究團(tuán)隊(duì)花了超過3年時(shí)間，設(shè)計(jì)出一個(gè)新系統(tǒng)，既化解表面保護(hù)層及催化劑阻礙光吸收的矛盾，同時(shí)降低成本和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，兼大幅提升太陽能轉(zhuǎn)化氫氣的效率。
有關(guān)研究成果早前在科學(xué)期刊《自然通訊》上發(fā)表，題為《An efficient and stable photoelectrochemical system with 9% solar-to-hydrogen conversion efficiency via InGaP/GaAs double junction》。
設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于重組光吸收層、催化劑及保護(hù)層的位置，把本來置于最表面的催化劑層，置于新系統(tǒng)的最底，可以反射任何未被吸收的長(zhǎng)波長(zhǎng)光子，增加了裝置對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)光子的吸收。新設(shè)計(jì)亦特別加入抗反射層，降低表面反射，提高光利用率。
研究結(jié)果顯示，在堿性電解液中運(yùn)用新研發(fā)的光電化學(xué)系統(tǒng)，可將太陽能制氫的效率由一般的3%大幅提升至約9%，而且穩(wěn)定性創(chuàng)下同類系統(tǒng)的最高紀(jì)錄：最長(zhǎng)超過150小時(shí)。相反，大多同類系統(tǒng)的半導(dǎo)體裝置會(huì)在幾分鐘內(nèi)失效，較長(zhǎng)的都只能維持幾個(gè)小時(shí)而已。
剝離外延層以重用昂貴基板
另一方面，用以生長(zhǎng)出半導(dǎo)體薄膜的GaAs基板十分昂貴，一般佔(zhàn)系統(tǒng)成本的76%。研究團(tuán)隊(duì)便採用外延層剝離（Epitaxial Lift-Off, ELO）技術(shù)解決高成本問題。外延（epitaxy）是一種制造半導(dǎo)體薄膜的技術(shù)，在原有晶片（基板）上生長(zhǎng)出結(jié)晶以制成新的半導(dǎo)體層。例如利用GaAs基板，就可以生長(zhǎng)出用以吸光的III-V族半導(dǎo)體外延層。
為解決GaAs基板昂貴的高成本問題，團(tuán)隊(duì)利用ELO技術(shù)將半導(dǎo)體層由GaAs基板剝離之后，再轉(zhuǎn)移到鎳（Ni）基板上進(jìn)行光電化學(xué)反應(yīng)，將水分解成氧氣和氫氣。而原有的GaAs基板則可以重用，再生長(zhǎng)出新的半導(dǎo)體外延層，繼而剝離并轉(zhuǎn)移。
何教授說：“使用ELO技術(shù)理論上可以轉(zhuǎn)移剝離層至任何表面，而且透過重用GaAs基板，可令成本降低超過五成。”他指出，使用ELO技術(shù)的好處還包括令表面保護(hù)層材料的選擇多樣化（可用金屬、金屬氧化物等）、選取電催化材料時(shí)無需再顧慮會(huì)否阻光，以及可以達(dá)到最大程度的光子吸收。
由于運(yùn)用剝離的技術(shù)可以充分運(yùn)用裝置的正面及背面，研究團(tuán)隊(duì)更成功制作出首個(gè)有近6%轉(zhuǎn)化效率的"人工葉"系統(tǒng)，即無需使用額外的能源已經(jīng)可以分解水成為氧氣和氫氣。何教授說："只要有適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)氫跟產(chǎn)氧電催化劑，新系統(tǒng)理論上轉(zhuǎn)化效率能達(dá)到16%，高于美國能源部就光電化學(xué)技術(shù)所要求、可商業(yè)化的10%效率。"
研究團(tuán)隊(duì)亦監(jiān)測(cè)了新系統(tǒng)分解水的情況，發(fā)現(xiàn)氫和氧產(chǎn)生的速率保持穩(wěn)定，證明半導(dǎo)體層沒有被腐蝕。團(tuán)隊(duì)甚至發(fā)現(xiàn)，用ELO技術(shù)剝離出來的半導(dǎo)體薄膜可以彎曲至直徑2毫米，仍無損其水分解功能，未來或可用于柔性電子產(chǎn)品中。
研究人員測(cè)試新的「人工葉」系統(tǒng)的效能，證明分解水為氫和氧的效率將近6%。
何教授是論文的通訊作者。而論文的共同第一作者是現(xiàn)為荷蘭基礎(chǔ)能源研究所博士後研究員的Purushothaman Varadhan博士，和現(xiàn)為威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校博士後研究員的傅惠君博士。何教授表示，團(tuán)隊(duì)正在香港城大內(nèi)建造較大型及可實(shí)際使用的系統(tǒng)原型，研究大量生產(chǎn)的可行性。團(tuán)隊(duì)正於美國及中國申請(qǐng)將技術(shù)注冊(cè)為專利。
這項(xiàng)研究得到阿卜杜拉國王科技大學(xué)的支持。
DOI number: 10.1038/s41467-019-12977-x
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