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制氫效率高達20.8%! 鈣鈦礦太陽能技術助力高效電解水製氫

[2023年7月3日] 相關報告預測,到2050年,氫能約佔全球能源消耗總量的20%,預計每年可減排二氧化碳60億噸。氫工業產業鏈年產值將達2.5萬億美元,世界將進入以太陽能、氫能等為代表的清潔能源時代。在製氫環節,相關統計顯示,目前全球製氫總量中,有超過90%來源於化石燃料;電解水製氫所佔比重不足4%,太陽能製氫比重更是甚微。在環境保護日趨嚴峻、太陽能產業大崛起的當下,以清潔能源製造清潔能源的太陽能製氫,將在製氫工業中扮演越來越重要的角色。氫能應用發展的前景廣闊,氫氣需求量逐漸增高,太陽能產業快速發展,這些都給太陽能製氫提供了良好的發展大環境。具體在我國開展太陽能製氫,仍然有著一些問題存在。

其中最關鍵的是成本,根據專業機構測算,當制出1Nm³氫氣的電力成本控制在1元以下的話,可以實現盈利。按照每生產1Nm³H2 約消耗電力3.5-5度計算,太陽能發電的度電成本要控制在0.2元左右。

鈣鈦礦太陽能近年來引起了人們的廣泛關注,因為鈣鈦礦太陽能可能實現太陽能製氫的成本控制, 它在太陽能製氫領域具有巨大的潛力。一項最新研究顯示,利用鈣鈦礦材料實現的太陽能電解水製氫技術取得了重大突破。

研究人員報告了一種集成的卤化物鈣鈦礦光電化學電池,該電池的太陽能驅動的水分解效率達到了令人矚目的20.8%[1]。傳統水分解技術的效率受到氧和氫的電化學反應動力學限制,需要更高的實際電勢差(1.6伏特)才能實現高效水分解,而理論最低電勢差為1.23伏特(攝氏25度)。這種電勢限制影響了太陽能製氫時適合的半導體和光伏材料的選擇。


與此同時,澳大利亞科學家開發了一種直接太陽能製氫系統,該系統利用串聯的鈣鈦礦-矽太陽能電池,實現了卓越的太陽能轉化為氫氣的效率。這種系統的開路電壓高達1.271伏特,功率轉化效率為24.3%[2]。與昂貴的半導體和貴金屬催化劑相比,該系統採用了廉價的半導體和低成本的鎳基催化劑,以降低成本

此外,鈣鈦礦材料在光催化水分解領域展現出了廣闊的應用前景。研究人員對基於鈣鈦礦的太陽能製氫技術進行了綜合回顧,包括顆粒光催化、光電化學電池和光伏-電催化電池等系統[3]。綜述文章強調了鈣鈦礦在太陽能製氫領域的優勢,並介紹了改善系統效率和穩定性的進展。同時,它還提出了進一步發展鈣鈦礦太陽能製氫技術面臨的挑戰和機遇,包括展望、性能、成本和穩定性等方面的考慮。

隨著技術的不斷進步,鈣鈦礦太陽能製氫技術有望成為未來可持續能源系統的關鍵組成部分。這些創新的研究成果為實現高效、低成本的太陽能製氫提供了新的可能性,將有助於推動清潔能源的發展。


參考文獻:

  1. Integrated halide perovskite photoelectrochemical cells with solar-driven water-splitting efficiency of 20.8%. https://www.nature.com/articles/s41467-023-39290-y

  2. Direct solar hydrogen generation tech powered by 24.3%-efficient tandem perovskite-silicon solar cell. https://www.pv-magazine.com/2021/09/07/direct-solar-hydrogen-generation-tech-powered-by-24-3-efficient-tandem-perovskite-silicon-solar-cell/

  3. Perovskite – A wonder catalyst for solar hydrogen production. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095495620306227


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