NIST利用硅基装置找寻具成本效益的制氢方式
- 2013-07-16 15:59:161237
他们费力寻找的目标算是一种成本低且效率高的光电化学（PEC）电池，不过从本质上来讲，这就是一种产生氢气而非电流的太阳能电池。“要想利用太阳能，一大关键挑战就是太阳能的间歇性问题，”NIST化学工程师丹尼尔·埃斯波西托（DanielEsposito）说，“我们需要不间断的能量，但太阳并不是*都闪耀着，因此我们迫切需要将太阳能转换成一种我们在没有阳光的时候也能利用的形式。对于大规模的能量储存或传输，氢气的优势有很多。”
简单来说，PEC电池含有一种具有半导体特性的光电极，可以吸收光子并将其转换成高能电子，而这些高能电子就能促成水分子生成氢气和氧气的化学反应。但实际情况可不像说的这么简单。据埃斯波西托介绍，好的PEC电池经证实其效率也不过是12.5%左右。但是，“据估计，这种电池生产起来会非常昂贵——每平方米造价就高达数千美元，而且同时还存在稳定性的问题，”他说。此外还有一个很严重的问题：这种用来获取佳转换效率的半导体很容易受到电池中水基电解质的腐蚀。人们一直都没有找到、稳定且经济的方式来生产这种PEC电极。
NIST研究小组提出的解决方案是一种硅基装置，使用金属-绝缘体-半导体（MIS）的设计就可以克服效率和稳定性之间的矛盾。关键就是要在硅（这种半导体非常适合收集光子）的顶端敷上一层很薄也很均匀的二氧化硅层，也就是绝缘层。在这之上是一组由微小的镀铂钛电极组成的点阵。稳定的氧化层不仅可以保护半导体不受电解液腐蚀，而且其又薄又透明的特点足以让光子穿透并达到半导体，光生电子则可以反方向穿过这层氧化层而达到电极，在铂的催化下进行生成氢气的反应。
这种MIS装置需要完善的生产控制，特别是那层氧化层，它需要地敷在半导体之上。不过埃斯波西托指出，他们使用的是电子行业的标准制造技术，已经有数十年生产低成本硅基装置的经验。
为了仔细研究这套系统，NIST研究小组用激光束来扫描装置表面，以微米量级的分辨力来记录光电流，因此一次只照射一小部分。伴随着激光束，他们也会同时追踪装置表面的“超微电极”，以测量氢分子产生的速率，而这只是整个化学反应的一半。这种合二为一的手段帮他们发现了MIS光电极设计的两个额外的效果：电子通过氧化层而形成的沟道效应成为了产生氢气的二次机制;电子到达反应位置的传输效率比预计的还要高。
这种装置的效率为2.9%，而且在运行过程中表现出极强的稳定性。虽然同昂贵得多的设计相比，这种装置的效率显得很低，但是同之前公布的类似的硅基MIS装置相比，却要胜过它们15倍。