扫描电子显微镜显示该复合光电阴极（左）的横截面。通过TEM分析，能够在二氧化钛薄膜（右）中观测到铂纳米颗粒。
水的电解众所周知：将两个电极放入电解液中并施加足够大的电压，电极上就会产生氢气和氧气气泡。如果电压产生于太阳能电池中的光能，那么就可通过产生氢气来储存太阳能了，这是因为氢气是一种存储和使用“化学能”的通用媒介。因此世界各地的研究团队都在努力开发紧凑、坚固以及经济有效的电解水系统，来完成这项挑战。但这并非易事，迄今，我们所用的电极都是由诸如铂或铂铱合金这些昂贵的材料制成，除非电极由昂贵材料制成，否则极易腐蚀。
新型光电阴极材料的诸多优点
基于德国联邦教育与研究部(BMBF)的“Light2Hydrogen”研究项目和正在进行的德意志研究联合会(DFG)“Solar H2”的优先计划，来自柏林亥姆霍兹中心(HZB)太阳能燃料研究所的一个研究团队已经开发出一种新型的光电极材料。此光电极由黄铜矿薄膜（一种在设备级薄膜太阳能电池中使用的材料）构成，表面涂覆有一层薄的、透明的、导电的二氧化钛(TiO2)涂层。该二氧化钛薄膜是多晶体且含有少量纳米级铂颗粒，使得这一新型的复合材料存在一些特殊的性能。首先，它在阳光下能产生近0.5V的光电压以及高达38mA/cm2的光电流密度；其次，其作为催化剂能够加速氢气的形成；最后，它也能保护内部材料不受腐蚀。因为二氧化钛是透明的，几乎所有的阳光都能到达感光的黄铜矿上，致使出现了媲美于传统设备级薄膜太阳能电池的高光电流密度和光电压。
柏林亥姆霍兹中心(HZB)配方与工艺研究
这一新颖的涂层配方是由Schedel-Niedrig副教授研究团队中的Anahita Azarpira博士发现，Azarpira采用了HZB多相材料系统研究所(EE-IH)研发并授权专利的化学气相涂覆技术。在实验过程中，二氧化钛和铂前驱体溶解在乙醇中并在超声波浴中转化为雾状，产生的气溶胶被引导通过加热的基体，此阶段要使用氮气，使黄铜矿基体上产生多晶体薄膜，并且随时间推移嵌入铂纳米颗粒。
超过80%的太阳光被转换
Azarpira和她的同行改变前驱体溶液中铂的含量，以此来优化新型复合光电器件的性能。研究发现，在前驱体溶液中加入体积分数5%左右的铂时(H2PtCl6)，材料性能最佳。“利用此复合材料系统，超过80%的入射可见光被转换成能生产氢气的电流，”Schedel-Niedrig如是说。这意味着几乎没有光会损失，并且量子效率非常高。此外，最近发表的相关文章指出，此复合材料在光照下每个活性中心效率约为690个H2/s，工作时间超过25小时，具备较好的长期稳定性以及极好的光电催化活性。
可行性论证
然而，还有许多问题需要解决。目前，在复合光电阴极和铂阳极之间所需要的1.8V电压仍然主要由电池提供。因此，“太阳能-氢气”的转化效率还需提高。Schedel-Niedrig提到：“无论如何，我们证实了这种面向未来的化学光电系统的可行性，在太阳能转换成氢能的应用上具有巨大潜力。因此，基于什未林市的“Light2Hydrogen”项目，我们成功地研发并测试了太阳能-氢能转换的演示设备。”
来源：材料人网站
