太详细了！张海翔博士细谈黑科技：光伏制氢-第3页-北极星输配电网

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光伏-电解水

太阳能发电制氢正是利用上述原理，将太阳能系统所产生的电力直接接入电解水的系统并制备氢气。但是，光伏-电解水制备氢气的方法受限于价格和效率因素。例如，当前工业化的电解水系统效率约在60%-70%1，考虑到目前市面主流的太阳能板的效率在15%-18%左右，其太阳能-氢气的转换效率低于12%。这导致了目前光伏-电解水制氢的成本约在10美元/千克10，而工业化的煤气转化法所生产的氢气成本在4美元/千克。事实上，在光伏系统成本逐步下降的同时，国内研究机构在实验室内已经开发出电解效率达90%的电解系统，光伏-电解水系统的经济性也在改善中。当然，考虑到西部光伏弃电的情况，将被废弃的电力转换为氢气产品并且就地消纳过量电能，也不失为补偿限电损失的一个有效途径。

光电化学-电解水

为了解决太阳能-氢气转化的效率和价格瓶颈，科学家们开辟一种新的电解水思路：光电化学电解水(Photo-electrolysis,有些科学家称之为人工光合成ArtificialPhotosynthesis)，即利用半导体物理学、光学、材料学、物理化学、电化学、催化化学甚至是生物化学机制的理论将光电效应和电解水系统合二为一，光电化学太阳能电池(Photo-electrochemical cell，PEC)正是应此概念而诞生2,6,10-13。

光电化学电池的起源

在1972年，藤岛昭(Fujishima)和本田健一(Honda)发现N型二氧化钛(TiO2)作为阳极光电极放置在水中时，在太阳光照下和外接电源的情况下，在二氧化钛表面获得了氧气的同时在铂负极获得了氢气，这表示他们成功将水分解为氢气和氧气13。如图二所示，当太阳光照射在二氧化钛的阳极光电极时，水分子在二氧化钛表面被氧化成氧气，而在阴极的金属表面被还原成氢气。在这个过程中，二氧化钛电极能产生约0.7伏的光电压，我们从公式一中得知电解水最小需求电压为1.229伏;因此，外接电源只需提供这之间的差值电压(0.529伏)即可成功电解水。当然，实际应用中，加上不可避免的过电位等损耗，电解水需要至少1.4伏以上的电压，二氧化钛电极仍然提供了约一半的电压，也就是说，太阳能提供了一半的电解水所需要的能量。通常这种需要外置电路提供部分能量的系统被称为带偏压系统(externally-biased electrolysis system)。