在开发技术数十年后 NREL创造了新的太阳能

创新永远向前迈进，但为了更高的准确性，有时需要向后退一小步。重新审视以前的太阳能到氢气的研究使得能源部国家可再生能源实验室(NREL)的科学家们能够提高直接将太阳光转化为氢气的新工艺的效率，并重新获得1998年在NREL首次创造的世界纪录。

今年早些时候，NREL团队(James Young，Myles Steiner，HenningDöscher，Ryan France，John Turner和Todd Deutsch)公布了其创纪录的研究成果 - 其中太阳能转氢效率达到16.2%自然能源杂志。这是纪念NREL成立40周年的合适方式：作为创造初始记录的研究员，特纳自成立之初就一直在实验室担任太阳能研究所，这一切都是为了利用太阳。

特纳利用光电化学(PEC)水分解技术创造了1998年的记录，该技术目前尚处于早期阶段，现在已准备好在未来实现廉价和可持续的氢气生产。

PEC系统通过直接注入电子来操作，当太阳光照射到浸没在酸性电解质中的光伏(PV)电池时产生电子，从而为水电解反应提供动力。特纳在PEC的早期成功依赖于20世纪90年代初在NREL开发的串联太阳能电池技术。串联电池使用两个半导体来捕获更多撞击它的光，从而产生反应所需的更高电压。特纳改造了电池，以便在水分解环境中运行。

特纳说：“你不是通过电线将电流和电线连接到电解槽中，而是将电解槽直接集成到半导体表面上，你可以用这种方式分水。” “你可以高效率地做到这一点。” 使用这种方法设定的Turner设定的12.4%的太阳能 - 氢效率记录是数十年来无法比拟的。

“虽然效率很重要，但对我来说最重要的是使用串联设备配置来获得比以前更高的水分解效率，”特纳说。“我将其描述为一种快速而肮脏的测量方法，以显示该概念的可行性。当时没有标准化的太阳能到氢气测量程序，18年后，它们仍然没有正式存在。”

“由于NREL是为数不多的能够对光伏设备进行认证测试的实验室之一，我们想知道如何开发可认证的太阳能到氢气效率测量的标准化协议，”特纳补充道。“正如您所预料的那样，我们对测量程序的了解越多，我们发现的误差来源就越多。测量串联光伏太阳能电池很复杂，测量分水的串联甚至更复杂。” 例如，太阳能电池的环境条件比使用各种电解质和电池几何形状的PEC电池更容易建立。

第二次看起来导致记录修订

Turner和他的团队致力于为PEC设备开发标准化测量，重新考虑了1998年的研究结果。

“我们发现了一些以前使用的方法，以及其他人在现场使用的方法，导致了测量误差，”NREL资深科学家和特纳门徒Deutsch说。“我们意识到包括我们在内的几个实验室都报告了效率的夸大价值。在进行更准确的测量之前，我们需要解决这些错误，并向社区传播标准化的测量方法。”

仔细观察发现原始实验已被过度照明，部分原因是该团队没有考虑到将名义上不透明的环氧树脂传输到串联电池所传递的光线。这使得实际照明面积大于计算中使用的面积。

去年，Young，Döscher，Turner和Deutsch 发表了一篇能源与环境科学论文，将历史记录效率从12.4%下调至9.3%。在该论文中，研究人员确定了开发PEC设备和技术的标准化和有效测试的必要性，以确定太阳能到氢气生产的效率。此外，他们建议实验室的任务是以与NREL和其他人证明太阳能电池效率相同的方式证明这些效率。

“没有一个基准设施在全球得到认可，但作为致力于能源部可再生能源研究的国家实验室，以及标准化光伏测量领域的领导者，NREL引领这一努力是有道理的，”Deutsch说。

新的世界纪录

NREL继续提高串联电池水分解效率，今年早些时候在Nature Energy中报告的新记录是在对太阳能电池的另一次改造的帮助下实现的。NREL已经对20世纪90年代末开发的串联电池Turner进行了改进，该电池由铟铟磷化物(GaInP 2)组成。)半导体堆叠在砷化镓(GaAs)之上。这种新型电池被称为倒置变质多结器件，因为它由多层倒置生长组成，允许研究人员使用铟镓砷(InGaAs)代替GaAs层，从而大大提高了器件的效率。科学家们还在器件顶部沉积了一层薄薄的磷化铝铟(AlInP)，然后是第二层薄的GaInP 2。额外的层有助于部分保护半导体免受限制电池寿命的腐蚀性溶液的影响。

使用倒置的变质多结设备，Deutsch的团队不仅能够超越特纳修订后的9.3%的记录，而且能够超越当时的世界纪录：2015年由国际研究团队报告的效率为14%。 Helmholtz-Zentrum Berlin，TU Ilmenau，Fraunhofer ISE和加州理工学院。

“人们并没有真正大喊大叫，但人们注意到了，”德意志说。“去年我们获得了14.3%的成绩，尽管这是他们的记录，但我们不想在我们超过15%的情况下宣布这一消息。” NREL的新PEC 世界纪录仍为16.2%，使用最新更新，更严格的标准化测量进行验证。

氢经济

据能源部称，美国每年生产近1000万吨氢气。氢气用于各种应用，包括氨生产，其反过来用于肥料，并且还可用于为燃料电池电动车辆提供动力。一公吨氢气足以在350英里的行程中发送200辆燃料电池汽车中的每一辆，但要在一天内完成这么多，就需要一个PEC设备领域。究竟有多少取决于设备的效率。如果效率为15%，则设备必须填充五个足球场大小的空间。将效率提高到25%将尺寸要求降低到三个足球场。

寻找具有成本效益的生产氢气的过程也是特别重要的。能源部希望到2020年氢气成本降至每汽油加仑当量不到4美元(1千克氢气是相当于一加仑汽油的能量)。这将使氢燃料汽车在成本上具有竞争力 - 以汽油为燃料的混合动力汽车每英里。

下一个障碍：稳定性

一个由PEC制氢的分析，由美国能源部联合中心人工光合作用去年在能源与环境科学出版，揭示了氢气的成本也在很大程度上取决于所使用的系统的效率。虽然集成系统可以更高效，但存在一些严重的权衡，主要是在半导体的稳定性或寿命方面。Deutsch表示，在严苛的PEC环境中，提高半导体使用寿命的方法是未来研究的关键。“酸基本上会吞噬你的半导体而且它们真的很贵，所以你需要它持续几年而不是几个小时。”

“如果你能使这个过程发挥作用并满足某些指标 - 效率，寿命和成本 - PEC可以与蒸汽甲烷重整制氢竞争，”特纳说。“问题在于这些指标很难实现。我们已经达到了效率，但我们远远超出了我们需要实现的生命周期和成本指标，因此该领域的研究仍在继续。”