美为“人造树叶”设计太阳能转化效率路线图

自“人造树叶”概念提出以来，科学家一直对其寄予厚望，希望它最终能带来一种廉价的自控制系统，为发展中国家的数十亿人口提供电力。据物理学家组织网近日报道，美国麻省理工大学（MIT）的一个研究小组对“人造树叶”系统的效率限制因素进行了详细分析和再设计，使其更接近现实，并有望带来一种实用、廉价的商业化样机。相关论文发表在美国《国家科学研究学报》上。

“人造树叶”系统结合了两种技术：一是标准硅太阳能电池，将太阳能转化为电力；二是连接电池两边的化学催化剂。二者结合就成为利用光电流把水分解为氢气和氧气的电化学设备，产生的氢气可通过燃料电池或其他设备再用于发电。在这一系统中，光伏系统和电化学系统的性能都是确定的，因此二者结合起来的效率也是可以预测的。

在论文中，研究人员描述了他们设计的一个框架，指导人们怎样把太阳能电池的输出功率和电化学反应系统更有效地结合，提出了更经济地利用现有太阳能电池技术（如硅或碲化镉）的方案，并确定了一些效率限值。“这是一份相当全面的分析，调查了目前市场上已有技术所能做到的最好情况。”MIT博士后马克·温克勒说。

研究小组曾于2011年首次展示他们的“人造树叶”，但当时的转化效率不到4.7%。新研究是对当初“概念性论证”的继续。MIT机械工程副教授托尼奥·博纳西斯表示，根据最新分析，使用晶体硅等单一带隙半导体，结合钴、镍基氧化催化剂，最大转化效率可能达到16%或更高。

“我们也很吃惊。”温克勒说，传统观点认为，硅太阳能电池的特点严重限制了它们分解水的效率，但事实并非如此。提高“太阳能—燃料”转化效率的关键是把合适的电池与合适的催化剂结合，这就需要一份路线图，指导人们怎么配对才能达到最优。博纳西斯表示，用他们设计的框架进行模拟，以传统硅电池为基础的系统，最大效率限值约为16%；而对砷化镓电池系统来说，效率限值可达到18%。

论文作者之一、前MIT研究生卡珊德拉·科克斯说：“该论文的重要意义在于，它描述了现有的所有这类技术以及我们把这些技术结合起来的效果。它还指出了所有要面对的挑战，研究人员可以通过实验单独分析这些不利因素。”

比如标准硅太阳能电池产生的电压约为0.7伏，而水分解反应需要1.2伏以上的电压。解决方案之一是把多个电池串联起来。虽然电池接口会损失能量，但也不失为一个有前景的研究方向。另一个不利因素是水本身，电子必须穿过整个电路，这会产生电阻，一种提高效率的方法是降低溶液电阻，这可以通过“一些技巧”来实现，例如用内插板来减小反应两边的距离。