一种新型太阳能电池，这种电池可以选择性地产出电能和氢

劳伦斯伯克利国家实验室的混合型光电池使用一些电荷驱动化学反应（顶部），其余的则用于产生电能（底部）。

10月29日Nature Materials上发表的一篇文章介绍了加州劳伦斯伯克利国家实验室（LBL）的研究人员发明的一种新型太阳能电池，这种电池可以选择性地产出电能和氢。这种混合型电池的面板是对光伏装置和电化学装置创新性集成，可在满足实时能源需求的同时积攒用以支持太阳能、水力和风力发电机以及为难以通电的设备（如飞机）提供燃料的氢。

东京大学的科学家Yuriy Pihosh（并未参与上述研究工作）称，LBL的设计是“简单且创新的。”Pihosh说，这可能对太阳能制氢的商业化有“巨大的影响”。几十年来，太阳能制氢一直是可再生能源的圣杯之一。事实上，LBL的设计对向无碳电力的转变是非常重要的。气候科学家认为，必须在本世纪中叶前实现这种转变，以避免气候变化带来最严重的影响。

太阳能制氢的一个障碍是分解水并释放出氢气的光电化学（PEC）电池的低效率问题。迄今为止的大多数努力都集中在串联设计上，PEC电池利用串联连接的相邻PV电池获得效率提升。然而，PV和PEC装置之间的电气不匹配和接触会浪费PV电池的很多能量，氢产量仍然有限。

LBL正在申请专利的设计是一种混合型光电化学和伏特（HPEV）电池。这种HPEV电池双重利用被光子激发的电子，从而实现其整体效率最大化，就像热电联产发电厂通过挤压产自天然气或煤炭的热能和电能来实现高燃油效率一样。

HPEV电池通过添加第三个电极来实现其双重功能。设备顶部的PEC电极使用足以产生出氢气的大量电子，而双PV电极利用剩余电荷来提供电能（就像它们在标准太阳能电池中所做的那样）。

Gideon Segev说，将双电触点置于HPEV电池的背面是关键的设计改进。他是LBL与美国能源部人工光合作用联合中心的博士后，是前述文章的第一作者。

双背触点已经是一种应用于SunPower公司（总部位于圣何塞）开发的高性能PV板的久经磨练的技术，他们在这种PV板上去除了会阻挡一些光线进入到电池中的顶面电极条。Segev说：“这是众所周知的。我们只是以不同的方式来拼拼图。”

Segev和他的同事们通过使用PEC材料模拟HPEV电池来说明他们的设计所带来的能量提升。Pihosh在2015年展示过PEC材料可以将6.8％的太阳能转化为氢。在Segev等人的模拟中，HPEV电池产生能相同数量的氢，但还将另外13.4％的可用太阳能转化为电能——总能量转换率基本上是三倍。

Segev说，这种设备也应该优雅地老化，这一点很重要，因为在稳健性方面PEC材料正在努力追赶PV材料（后者具有长达几十年的稳健性）。（效率胜过Pihosh的PEC电池的PEC电池依赖于短寿命的催化剂，在几天内就失效。）Segev说氢产量衰减的HPEV电池应该能产生更多电能，从而缓解损失。

更好的是，HPEV电池可以进行电调制。Segev说：“你有一个电荷库，你可以选择要引导它去产氢还是产电，这取决于现在的电力成本”。这种功能对于100%可再生能源供电的电网（例如在夏威夷强制建设的那些100%可再生能源供电的电网）来说至关重要。当需求激增或风力发电下降时，配备HPEV电池的氢电联产发电厂可将其产电量提高一半以保持电网平衡。

LBL发布的一则新闻称，该LBL团队目前正在探索使用HPEV电池来驱动其他化学反应，包括可能直接减少二氧化碳排放的多种应用。但Segev说，他希望其他团队能够拓展产氢的研究工作。LBL团队制作了一个小的、未经优化的HPEV电池来演示混合操作，其效率略高于1%。他说，他期待着其他团队生产出具有“应有的效率”的氢电池。