太阳能水分解制氢的效率和稳定性最佳实践

来自美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)和劳伦斯伯克利国家实验室(BerkeleyLab)的科学家们正在为研究人员提供指导，帮助他们了解如何最好地测量直接从太阳能生产氢气的效率。

光电化学(PEC)水分解技术依靠阳光将水分解成其组成元素——氧和氢——可能是最可持续的清洁能源途径之一。然而，由于缺乏标准化方法，不同实验室对PEC过程在相同系统上的效率的测量可能存在很大差异。新开发的最佳实践指南发表在能源研究前沿，旨在为比较不同地点和不同群体获得的结果提供信心。

随着研究人员不断改进技术，该出版物为PEC社区提供了路线图。两个实验室都使用相同的测试硬件、PEC光电极和测量程序通过循环测试验证了这些最佳实践。对光伏的研究已经允许对电池效率进行认证，但PEC水分解效率测量还没有被广泛接受的协议。

NREL的高级科学家、新期刊文章的合著者ToddDeutsch说：“在实验室之间比较报告的PEC水分解效率结果真的很困难，因为人们倾向于在不同的条件下进行测量。”PEC：如何可靠地测量光电阴极的太阳能制氢效率。”“能源部不久前就认识到了这一点，因此我们已经做出了很多努力来建立我们参与的标准——多实验室的合作努力以及特定于NREL的努力。”

NREL的其他作者是KeenanWyatt、MylesSteiner和JamesYoung。

“这份协议论文的动机既是为刚刚进入该领域的研究人员提供指南，也是为更有经验的科学家描述微妙的技术技巧，”伯克利实验室的材料科学家和共同作者FrancescaToma说。期刊文章。“我们利用了两个国家实验室的独特优势，它们共同跨越了基础到应用科学领域。”

伯克利实验室的其他合著者是OliviaAlley、GuijiLiu、TobiasKistler、DavidLarson和JasonCooper。

这篇文章阐明了路径，以便所有实验室都可以遵循统一的实验实践，从制造光电极所需的材料开始。作者继续详细介绍了制造过程、实验设置和测量太阳能到氢气(STH)效率的过程。研究人员指出，为了准确表征STH效率，需要直接测量PEC水分解产生的氢气量。

PEC水分解于1972年首次在科学出版物中被提及。从那时起，研究一直在不断完善和改进该过程，但到目前为止，还没有建立标准化的STH测量程序。NREL在1998年创下STH效率超过10%(12.4%STH)的首个记录，但在2016年，在意识到原始实验被过度阐释后，在一份描述了避免进行效率测量的常见陷阱的出版物中将该数字下调了.2017年，该团队使用带隙工程设计了更优化的光吸收器，以利用太阳光谱，从而实现了16.2%的更高STH，创造了当时的新世界纪录。

美国能源部的氢和燃料电池技术办公室已将25%作为通过PEC水分解的STH的最终目标，尽管初步成本分析表明，可以以较低的效率实现具有竞争力成本的氢。光电极已证明效率从10%到20%。

PEC研究人员还继续致力于改进耐用性。用于捕获阳光的半导体浸入水性(水基)电解质中。但是电解液的pH值从酸性到碱性不等，电解液会腐蚀半导体并缩短其使用寿命。

“耐用性仍然是这项技术的一大亮点，”Deutsch说。“取得了一些进展，但不如最近在提高效率方面取得的进展。”

Deutsch与人合着了一篇关于“光电化学水分解的长期稳定性度量”的新论文，该论文将同时实现高效和稳定的无辅助PEC水分解描述为清洁和能源领域的“圣杯”。可再生燃料发电。该论文为进行长期稳定性实验提供了一个框架，希望实现超高稳定性(持续超过10,000小时)和超过15%的效率。

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