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1、半导体光电子学课程考试 题 目: 太阳能电池变为燃料 院 系(所)： 信息学院 电子系 专 业： 微电子学与固体电子学 姓 名： 王瑞琦 学 号： 51111213019 二一一 年 十二 月 太阳能电池变为燃料 王瑞琦 （华东师范大学 极化材料与器件教育部重点实验室 200241）当今，太阳能的广泛利用有目共睹，但缺点更令人困扰，除了低转化效率，它还难以存储，并且受天气影响大，比如阴雨天时难以使用。细细揣摩，归根结底还是要解决太阳能的存储问题，以便在阴雨天时照样使用。太阳能电池是一种储存方式,缺点是成本太高，而且储存的能量有限。最好的电池每公斤储存300瓦时的能量，每公斤汽油储存13000瓦
2、时。因而，我们想到，将太阳能转化为燃料，以化学能的形式储存起来。在诸多燃料中,氢气不仅仅有着比汽油更清洁的潜力，而且按重量算，它能储存更多的能量(大约为三倍)，即能量密度更高。最简单的方法就是，用太阳能电池产生的电能来电解水，得到氢气燃料，日本本田汽车公司的研究人员已经尝试这样做了，并且取得了成功。不过很快有人提出质疑，有人说，电解槽可不便宜，那里面用的电极可是每克售价高达350元人民币的铂。于是科学家又把目光转向自然界中植物的光合作用，众所周知，植物每时每刻都在利用太阳能，它们俘获太阳能并通过光合作用把它转化为化学燃料。光合作用把水(H2O)和二氧化碳(CO2)转化为碳水化合物(CH2O)和
3、氧气(O2)。实际的转化是由一些分立的反应所完成的，其中的两个主要反应是把水分解为氢气和氧气(“光解水”)和用光解水过程中释放出来的电子还原CO2。 事实上，化学家们已经模拟了这些分立反应中的大多数，基本上复制了光合作用。不过，化学家们还未能集成这些分立反应，而且也还没有能够实现大规模商业应用。对把太阳能转化为化学能的大多数讨论都围绕在目前进行的开发可承受的催化剂方面，这些催化剂驱动不同的光合作用反应。开发制氢反应的催化剂日本东京大学堂免一成(Kazunari Domen)博士日前以“光催化全解水(photocatalytic overall water splitting)”为题作报告，他叙
4、述了目前他们开发的采用新型光解水技术的更有效、更可承受的制氢催化剂方面的研究工作。此技术采用了溶于溶液中的纳米结构光催化剂颗粒，在溶液中通过与这些颗粒的接触，发生催化反应，制氢和制氧。此方法区别于采用分立的涂敷催化剂的电极来制氢和氧的常用方法。光催化分解水的关键优点在于其使用的材料比光电化学(PEC)电池所要求的材料更便宜。因此，广泛、规模使用时更可以承受得起。堂免一成首先介绍了两种常用的光解水技术。第一种涉及光伏(PV)电池和电解器，PV吸收阳光并把它转化为电，电解器用这些电来使水分解。他提到，本田公司已经使用这种技术多年，以开发“以太阳能电解水制氢站”的实验，在此站中，氢燃料开动的汽车可以
5、被再次赋能。第二种途径涉及使用光电化学(PEC)电池，这是一种包含有串联的PV电池和电解质的电池。通过把光的富集和水的分解过程结合到一个器件中而消除了对分立的电解池的需求。PEC电池提供了更直接、便宜的利用太阳能来驱动水分解反应的手段。 堂免一成说，化学家们已经构建了太阳能转换效率达到约5的PEC电池，与之相比，最好的光催化分解水系统的效率还仅约13。他预测，把它的平均太阳能转换效率提高到5将需要再花费十年的研究。关键的挑战之一是大部分光催化材料只有在用紫外光活化下才能工作，而对可见光则没有活性。他谈到了他以及其他研究小组在开发可见光下能有效工作的新材料方面的努力。例如采用氮化镓(GaN)和氧
6、化锌(ZnO)混合物在可见光下仍具有很好的光催化活性。开发还原CO2的催化剂日本冈崎分子科学研究所的田中耕司(Koji Tanaka)博士指出，构建人工树叶不仅需要开发制氢和氧的催化剂，而且需要开发CO2还原的催化剂。为此，中国科学院李灿博士建议，“ CO2还原问题的解决”比“分解水问题的解决”更为紧迫。藤田也认为像制氢和制氧一样，化学家们还必须优化CO2还原反应的催化剂。过去的20年，她的研究小组和日本东京工业大学石谷修(Osamu Ishitani)的研究小组在进行CO2还原催化剂的研究。最近，石谷修的团队开发出了一种新型的钌(Ru)-铼(Re)光催化剂，不过，挑战仍存在。例如，由于CO2
7、分子极其稳定，而催化剂不够稳定，因此CO2还原要花十个小时。李灿说，另一个问题是CO2还原的最终产物碳氢化合物常常迅速地被再氧化，使得碳氢化合物的净产率十分低。他强调说，需要努力研究天然体系，以避免这种情况的发生。 开发制氢和还原CO2相结合的催化剂堂免一成提到，人工光合成的最终目标是把光解水与CO2还原结合起来，用光解水过程中释放出来的电子来驱动CO2的还原以产生液体燃料，如甲醇。达到这一点将基本上实现创制“人工树叶”的梦想。所谓“人工树叶”是这样的一种器件：它模拟真正的树叶，不仅把水分解而且用水分解的产物来创制更有用的有机燃料。日本东京都立大学井上春男博士解释说，从能量转换和“元素循环(c
8、irculation-of-elements)”的前景来说，用水分解与CO2还原相耦合是一个理想体系。人工树叶（除了它从太阳收集的能量之外）既不需要能量又不放出CO2。为了产生燃料，CO2还原并不必须与水的分解相耦合。遗憾的是，在目前运行的大多数CO2还原过程中所使用的主要氢源是甲烷的蒸气重整，它不仅需要能量，（目前是以化石燃料的形式）而且还放出CO2。美国纽约布洛克海文国家实验室的藤田悦子(Eysuko Fujita)博士同意在人工光合成研究领域的至少一个目标是把CO2还原与分解水相结合的提法。她规划的未来是，燃烧化石燃料释放出来的CO2在进入大气之前被俘获，然后用水分解过程中释放出来的电子
9、(和质子)还原。这个过程将不需要牺牲电子给体。不过，面临的挑战是难以对付的。藤田和英国纽卡斯尔大学的安东尼哈里曼(Anthony Harriman)讨论认为把构成树叶的两半耦合成一片树叶将需要有多个复杂的多电子反应参与。随着时间的推移，又有人开始质疑日本科学家的这套“人工树叶理论”，他们说，以化学能存储起来的能量最终要为人类所使用，大都还要转变为电能，人工树叶相当于将太阳光变成电力，然后变为化学燃料，再回到电力。传统的电池储存能量密度远小于化学燃料，但却高效得多，因为在使用电力制造燃料，然后用燃料产生电力的过程中，每一步都浪费能量。将太阳能转化为燃料的其他方法最近，加州理工学院（Caltech
10、）材料科学与化学工程教授索斯娜海珥（Sossina Haile）使用常见于自洁烤箱中的一种金属铈土（ceria），利用新研发的太阳能反应器制备绿色燃料。 研究人员设计并制造了一个两英尺高的原型反应器，这个反应器有一个石英窗口，还有一个空腔，能吸收集中的太阳光。反应器的核心是一个圆柱形的氧化铈衬套。铈土高温下会释放氧气，但结构不变，冷却后又会吸入氧气，导致二氧化碳和水分解脱氧，形成氢气和一氧化碳，都可制备燃料。具体来说，吸入的氧气来自分解二氧化碳（CO2）和水（H2O）的气体分子，因这种气体被泵入反应器，这样就产生了一氧化碳（CO）和氢气（H2）。氢气可用于燃料，就是氢燃料电池；一氧化碳结合氢气
11、，可用于制造一种合成气体，或“合成气”（ syngas），这是一种原料，可制成液态烃（hydrocarbon）类燃料。把其他催化剂添加于这种混合气体，同时就可生产甲烷。实验要求反应器中的温度必须非常高，接近3000华氏度（1648.89）。海珥与瑞士的保罗谢勒研究所的太阳能实验室合作，将反应器安装在一个大型太阳模拟器上，这个模拟器提供的热量相当于1500个太阳。最终实现了CO2的快速分解。海珥解释说，是因为我们使用了整个太阳光谱，而不只是特定的波长。 下一步，海珥和她的同事们计划改进铈土配方，这样可以降低反应温度，也计划再造反应器，提高其效率。目前，该系统只可利用不到1的太阳能，它接收到的太阳能，大部分能量流失了，变为热，通过反应器内壁散发，或重新辐射出石英窗口。“我们设计反应器时，并没有做很多工作来控制这些损失，”海珥说，“模拟表明，反应效可以达到15。”
