新型光解水制氫或催生光伏技術革命
——訪以色列理工學院太陽能燃料集優研究中心阿夫納?羅斯柴爾德教授

文/馮志文

新型光解水制氫或催生光伏技術革命
——訪以色列理工學院太陽能燃料集優研究中心阿夫納?羅斯柴爾德教授

文/馮志文

以色列理工學院太陽能燃料集優研究中心（I-CORE）的科學家研發出了一種新的光解制氫方法，這種基于納米材料技術的發明，使低成本光解水制氫成為可能；如果嫁接光伏電池技術，則可能催生制氫光伏產業，實現光伏發電和光解水制氫兩個綠色能源生產方式的結合。

這項成果引起了廣泛的關注，有人拿它跟當年名噪一時的“人造葉片”比較，并認為其前途更加光明。這項成果也使以色列政府近年來傾力打造的“腦力回流”科研平臺I-CORE格外引人注目。近日，筆者專訪了以色列理工學院太陽能燃料集優研究中心該項目首席研究員阿夫納?羅斯柴爾德教授。

納米材料技術帶來的革命

“用集成串聯光伏電池實現光解水制氫完全可行，光伏發電的同時制氫、儲氫，氫燃料再用于補充黑夜和陰天的發電需要。”羅斯柴爾德告訴筆者，“我們已找到一種方式來捕捉光，用超薄鐵氧化物薄膜，也就是用比辦公用紙還薄5000倍的鐵銹，即三氧化二鐵來儲存光，這是實現高效率和低成本的關鍵。”他們的研究成果發表在《自然材料》上，論文題目是《用超薄材料捕獲共振光實現水裂解》。

氧化鐵是一種常見的半導體材料，生產成本低，在水里不易氧化、耐腐蝕、耐分解，比其他半導體材料表現更穩定。但它較低的導電性是研究人員面臨的最大挑戰。科研人員為此奮斗多年，努力找尋光吸收分離和光生載荷收集之間的折衷方案。

“我們的光捕獲方案打破了這個瓶頸，氧化鐵超薄薄膜能夠有效地吸收光生電荷。”羅斯柴爾德說，“類似鏡面的薄膜被置于反射基板上，光線中的四分之一波長或更深的子波長被薄膜捕獲。同時向前和向后傳播的光波之間增強了吸收表面，光生電荷載體的吸收效率更好。”

談到這項發現的重大意義，羅斯柴爾德認為，這項科研成果使光伏發電和制氫同時進行成為可能。人們可以設計制造出相對廉價的結合有超薄氧化鐵光電極的太陽能電池，這種太陽能電池完全可以采用基于硅材料或其他材料的傳統產品，但能同時實現光伏發電和制氫。他稱，這些電池實現了太陽能儲存，讓光伏發電不再受黑夜和陰天影響，這是傳統的光伏發電無法比擬的。

這項發明還能減少第二代光伏電池對極稀有金屬的用量，理論上講，在不犧牲發電性能的基礎上，這種太陽能電池能節約90%的碲和銦等稀有元素。

水的消耗也是這樣的光伏電廠無法回避的問題，羅斯柴爾德稱，目前他們使用淡水的試驗測算結果，其水的用量以及經濟性和傳統發電相差無幾。他們還將開展使用海水進行光解制氫的研究，并對此充滿信心。他稱，自去年底他們的科研成果發布以來，他們在提高制氫效率方面又取得了很大進步，理論上講，基于這種技術的光伏電廠已經可以匹敵傳統發電，其成本不相上下，如果考慮到綠色、環保、低碳等因素，這樣的光伏電廠已經具備優勢。

占用大量土地則是光伏電廠面臨的另一個難題。羅斯柴爾德對此并不十分擔心，他說，每個國家都有大量不能耕作但光照充分的土地，它們是建設光伏電廠的天然選擇，而且相對于其他用途占地，全面解決能源問題的用地需要并不過分。他以以色列為例，以色列全國道路占用土地是國土面積的3%，而通過這種新型光伏電廠完全解決以色列電力需求只要國土面積的1%，就能徹底實現國家能源獨立，并完全放棄石化能源。

實現清潔能源三步走

羅斯柴爾德分析了實現人類清潔能源夢想的各種可能性，他認為相比風能、地熱能、核能、潮汐能等，太陽能光伏發電是迄今為止最為成功的清潔能源解決方案，這種20年前僅用于軍事和太空的昂貴的能源技術，現在已經變得非常成熟和普及，產業化程度很高。雖然有人還在質疑它的發電成本，但就目前技術水平，在以色列光伏發電的單價已經與傳統電廠的電價趨同。如果將運行周期放在30年的時間段進行對比，光伏電廠的發電成本將低于現行電價。這其中還不包括傳統電廠存在的生產安全成本和付出的環境污染代價。羅斯柴爾德稱，有一位以色列財政部前副總司長計算出的傳統電廠的真實價格是現在光伏發電的兩倍。

羅斯柴爾德并不看好生物燃料，他認為生物燃料的發電效率不高，自然界的光合作用需要很多土地。大規模發展生物燃料，人類會面臨用有限土地生產食物或者生產燃料的兩難選擇，能源危機與糧食危機將交織在一起。

事實上，許多國家已經把發展可再生能源的目標大幅度提高，如以色列現在是7%，2020年要達到20%；德國的目標是到2050年將可再生能源提高到80%。相比較風能和氫能，光伏發電現在發展最快。但光伏的致命傷是黑夜和陰天不能發電，如果小規模的光伏電廠可以通過其他發電方式進行補償和平衡，大規模光伏發電則必須解決太陽能燃料儲存問題。

應運而生的納米氧化鐵超薄膜制氫技術是一種高效人造光合作用，制氫能力10倍于自然界，嫁接現在非常成熟的光伏技術，則可實現光解水制氫和光伏發電的完美結合。

羅斯柴爾德提出了解決清潔能源問題的三步走方案：第一步將光伏發電的效率提升到10%，第二步把氫能系統加進去，第三步將淡水換成海水，“這就是完整意義的人類可持續發展藍圖”。

（文章來源：科技日報）