太陽能提供廉價和可持續的氫能

美國密歇根大學通過自然光合現象模擬研發出一種新型的太陽能電池板，該電池板在將水轉化為氫氣（H2）和氧氣（O2）方面取得了9%的效率，比目前同類型的分離效率高近10倍，是技術的重大飛躍。

該技術通過減少設備中最昂貴的部分——半導體器件，大大降低了可持續氫能的成本，且該團隊研發的自愈半導體能承受相當于160個太陽光的集中光。

目前人類是利用化石燃料中的甲烷（CH4）來生產氫氣的，過程中消耗了大量的能源，而植物卻可利用陽光從水中獲取氫原子。當人類試圖減少碳排放時，氫氣作為一種獨立的燃料和來自二氧化碳（CO2）制成的可持續的燃料非常有吸引力。此外，許多化學過程如生產化肥等都需要氫氣。

密歇根大學的人工光合作用比自然光合作用效率更高，也為實現碳中和提供了途徑。

該研究突出的結果來自兩個進步：第一是集中陽光又不破壞半導體的能力，與一些僅在低光強度下工作的半導體相比，該研究將半導體尺寸縮小了很多；第二是利用太陽光譜中能量較高部分來分解水，較低部分來促進反應。這個奇跡是由一種半導體催化劑實現的，該催化劑除可改善自身外，還可抵抗在利用陽光驅動的化學反應中通常經歷的降解。

除處理高強度的光外，該半導體還可在高溫下工作。高溫加速了水的分解，額外的熱量也促使氫和氧的分離，而不是重新形成新鍵和水，這兩者都幫助收獲更多的氫氣。

團隊設置了一個與房屋窗戶大小的室外透鏡，將陽光聚焦到只有幾英寸寬的實驗板上，實驗板上的半導體催化劑被一層水膜覆蓋，并隨著分離冒出氫氣和氧氣。

該催化劑由生長在硅表面的氮化銦鎵納米制成，半導體晶片將捕獲的光轉化為自由電子和空穴（當電子被光釋放時留下的帶正電的空隙）。納米結構中布滿了直徑為1/2 000 mm的納米級金屬球，金屬球利用這些電子和空穴來幫助反應。

實驗板頂部一個簡單的絕緣層將溫度保持在75℃左右，足夠溫暖以促進反應，同時也足夠涼爽以使催化劑發揮良好作用。該實驗的戶外版本在陽光和溫度不太可靠的情況下，將太陽能轉化為氫燃料的效率達到了6.1%，室內可達9%。

該團隊要應對的下一個挑戰是進一步提高效率并獲得可直接送入燃料電池的超高純度的氫。