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纳米材料技术催生光伏技术革命

2013-06-08 08:31
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  以色列理工学院太阳能燃料集优研究中心(I-CORE)的科学家研发出了一种新的光解制氢方法,这种基于纳米材料技术的发明,使低成本光解水制氢成为可能;如果嫁接光伏电池技术,则可能催生制氢光伏产业,实现光伏发电和光解水制氢两个绿色能源生产方式的结合。

  这项成果引起了广泛的关注,有人拿它跟当年名噪一时的“人造叶片”比较,并认为其前途更加光明。这项成果也使以色列政府近年来倾力打造的“脑力回流”科研平台I-CORE格外引人注目。近日,科技日报记者专访了以色列理工学院太阳能燃料集优研究中心该项目首席研究员阿夫纳·罗斯柴尔德教授。

  纳米材料技术带来的革命

  “用集成串联光伏电池实现光解水制氢完全可行,光伏发电的同时制氢、储氢,氢燃料再用于补充黑夜和阴天的发电需要。”罗斯柴尔德告诉记者,“我们已找到一种方式来捕捉光,用超薄铁氧化物薄膜,也就是用比办公用纸还薄5000倍的铁锈,即三氧化二铁来储存光,这是实现高效率和低成本的关键。”他们的研究成果发表在《自然材料》上,论文题目是《用超薄材料捕获共振光实现水裂解》。

  氧化铁是一种常见的半导体材料,生产成本低,在水里不易氧化、耐腐蚀、耐分解,比其他半导体材料表现更稳定。但它较低的导电性是研究人员面临的最大挑战。科研人员为此奋斗多年,努力找寻光吸收分离和光生载荷收集之间的折衷方案。

  “我们的光捕获方案打破了这个瓶颈,氧化铁超薄薄膜能够有效地吸收光生电荷。”罗斯柴尔德说,“类似镜面的薄膜被置于反射基板上,光线中的四分之一波长或更深的子波长被薄膜捕获。同时向前和向后传播的光波之间增强了吸收表面,光生电荷载体的吸收效率更好。”

  谈到这项发现的重大意义,罗斯柴尔德认为,这项科研成果使光伏发电和制氢同时进行成为可能。人们可以设计制造出相对廉价的结合有超薄氧化铁光电极的太阳能电池,这种太阳能电池完全可以采用基于硅材料或其他材料的传统产品,但能同时实现光伏发电和制氢。他称,这些电池实现了太阳能储存,让光伏发电不再受黑夜和阴天影响,这是传统的光伏发电无法比拟的。

  这项发明还能减少第二代光伏电池对极稀有金属的用量,理论上讲,在不牺牲发电性能的基础上,这种太阳能电池能节约90%的碲和铟等稀有元素。

  水的消耗也是这样的光伏电厂无法回避的问题,罗斯柴尔德称,目前他们使用淡水的试验测算结果,其水的用量以及经济性和传统发电相差无几。他们还将开展使用海水进行光解制氢的研究,并对此充满信心。他称,自去年底他们的科研成果发布以来,他们在提高制氢效率方面又取得了很大进步,理论上讲,基于这种技术的光伏电厂已经可以匹敌传统发电,其成本不相上下,如果考虑到绿色、环保、低碳等因素,这样的光伏电厂已经具备优势。

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