新型光解水制氫或催生光伏技術(shù)革命

阿夫納·羅斯柴爾德教授在接受采訪。
 

     以色列理工學(xué)院太陽能燃料集優(yōu)研究中心（I-CORE）的科學(xué)家研發(fā)出了一種新的光解制氫方法，這種基于納米材料技術(shù)的發(fā)明，使低成本光解水制氫成為可能；如果嫁接光伏電池技術(shù)，則可能催生制氫光伏產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電和光解水制氫兩個(gè)綠色能源生產(chǎn)方式的結(jié)合。

        這項(xiàng)成果引起了廣泛的關(guān)注，有人拿它跟當(dāng)年名噪一時(shí)的“人造葉片”比較，并認(rèn)為其前途更加光明。這項(xiàng)成果也使以色列政府近年來傾力打造的“腦力回流”科研平臺(tái)I-CORE格外引人注目。近日，科技日報(bào)記者專訪了以色列理工學(xué)院太陽能燃料集優(yōu)研究中心該項(xiàng)目首席研究員阿夫納·羅斯柴爾德教授。

        納米材料技術(shù)帶來的革命

        “用集成串聯(lián)光伏電池實(shí)現(xiàn)光解水制氫完全可行，光伏發(fā)電的同時(shí)制氫、儲(chǔ)氫，氫燃料再用于補(bǔ)充黑夜和陰天的發(fā)電需要。”羅斯柴爾德告訴記者，“我們已找到一種方式來捕捉光，用超薄鐵氧化物薄膜，也就是用比辦公用紙還薄5000倍的鐵銹，即三氧化二鐵來儲(chǔ)存光，這是實(shí)現(xiàn)高效率和低成本的關(guān)鍵。”他們的研究成果發(fā)表在《自然材料》上，論文題目是《用超薄材料捕獲共振光實(shí)現(xiàn)水裂解》。

        氧化鐵是一種常見的半導(dǎo)體材料，生產(chǎn)成本低，在水里不易氧化、耐腐蝕、耐分解，比其他半導(dǎo)體材料表現(xiàn)更穩(wěn)定。但它較低的導(dǎo)電性是研究人員面臨的最大挑戰(zhàn)?？蒲腥藛T為此奮斗多年，努力找尋光吸收分離和光生載荷收集之間的折衷方案。

        “我們的光捕獲方案打破了這個(gè)瓶頸，氧化鐵超薄薄膜能夠有效地吸收光生電荷。”羅斯柴爾德說，“類似鏡面的薄膜被置于反射基板上，光線中的四分之一波長或更深的子波長被薄膜捕獲。同時(shí)向前和向后傳播的光波之間增強(qiáng)了吸收表面，光生電荷載體的吸收效率更好。”

        談到這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的重大意義，羅斯柴爾德認(rèn)為，這項(xiàng)科研成果使光伏發(fā)電和制氫同時(shí)進(jìn)行成為可能。人們可以設(shè)計(jì)制造出相對(duì)廉價(jià)的結(jié)合有超薄氧化鐵光電極的太陽能電池，這種太陽能電池完全可以采用基于硅材料或其他材料的傳統(tǒng)產(chǎn)品，但能同時(shí)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電和制氫。他稱，這些電池實(shí)現(xiàn)了太陽能儲(chǔ)存，讓光伏發(fā)電不再受黑夜和陰天影響，這是傳統(tǒng)的光伏發(fā)電無法比擬的。

        這項(xiàng)發(fā)明還能減少第二代光伏電池對(duì)極稀有金屬的用量，理論上講，在不犧牲發(fā)電性能的基礎(chǔ)上，這種太陽能電池能節(jié)約90%的碲和銦等稀有元素。

         水的消耗也是這樣的光伏電廠無法回避的問題，羅斯柴爾德稱，目前他們使用淡水的試驗(yàn)測算結(jié)果，其水的用量以及經(jīng)濟(jì)性和傳統(tǒng)發(fā)電相差無幾。他們還將開展使用海水進(jìn)行光解制氫的研究，并對(duì)此充滿信心。他稱，自去年底他們的科研成果發(fā)布以來，他們在提高制氫效率方面又取得了很大進(jìn)步，理論上講，基于這種技術(shù)的光伏電廠已經(jīng)可以匹敵傳統(tǒng)發(fā)電，其成本不相上下，如果考慮到綠色、環(huán)保、低碳等因素，這樣的光伏電廠已經(jīng)具備優(yōu)勢。

        占用大量土地則是光伏電廠面臨的另一個(gè)難題。羅斯柴爾德對(duì)此并不十分擔(dān)心，他說，每個(gè)國家都有大量不能耕作但光照充分的土地，它們是建設(shè)光伏電廠的天然選擇，而且相對(duì)于其他用途占地，全面解決能源問題的用地需要并不過分。他以以色列為例，以色列全國道路占用土地是國土面積的3%，而通過這種新型光伏電廠完全解決以色列電力需求只要國土面積的1%，就能徹底實(shí)現(xiàn)國家能源獨(dú)立，并完全放棄石化能源。

        實(shí)現(xiàn)清潔能源三步走

        羅斯柴爾德分析了實(shí)現(xiàn)人類清潔能源夢想的各種可能性，他認(rèn)為相比風(fēng)能、地?zé)崮?、核能、潮汐能等，太陽能光伏發(fā)電是迄今為止最為成功的清潔能源解決方案，這種20年前僅用于軍事和太空的昂貴的能源技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)變得非常成熟和普及，產(chǎn)業(yè)化程度很高。雖然有人還在質(zhì)疑它的發(fā)電成本，但就目前技術(shù)水平，在以色列光伏發(fā)電的單價(jià)已經(jīng)與傳統(tǒng)電廠的電價(jià)趨同。如果將運(yùn)行周期放在30年的時(shí)間段進(jìn)行對(duì)比，光伏電廠的發(fā)電成本將低于現(xiàn)行電價(jià)。這其中還不包括傳統(tǒng)電廠存在的生產(chǎn)安全成本和付出的環(huán)境污染代價(jià)。羅斯柴爾德稱，有一位以色列財(cái)政部前副總司長計(jì)算出的傳統(tǒng)電廠的真實(shí)價(jià)格是現(xiàn)在光伏發(fā)電的兩倍。

        羅斯柴爾德并不看好生物燃料，他認(rèn)為生物燃料的發(fā)電效率不高，自然界的光合作用需要很多土地。大規(guī)模發(fā)展生物燃料，人類會(huì)面臨用有限土地生產(chǎn)食物或者生產(chǎn)燃料的兩難選擇，能源危機(jī)與糧食危機(jī)將交織在一起。

        事實(shí)上，許多國家已經(jīng)把發(fā)展可再生能源的目標(biāo)大幅度提高，如以色列現(xiàn)在是7%，2020年要達(dá)到20%；德國的目標(biāo)是到2050年將可再生能源提高到80%。相比較風(fēng)能和氫能，光伏發(fā)電現(xiàn)在發(fā)展最快。但光伏的致命傷是黑夜和陰天不能發(fā)電，如果小規(guī)模的光伏電廠可以通過其他發(fā)電方式進(jìn)行補(bǔ)償和平衡，大規(guī)模光伏發(fā)電則必須解決太陽能燃料儲(chǔ)存問題。

        應(yīng)運(yùn)而生的納米氧化鐵超薄膜制氫技術(shù)是一種高效人造光合作用，制氫能力10倍于自然界，嫁接現(xiàn)在非常成熟的光伏技術(shù)，則可實(shí)現(xiàn)光解水制氫和光伏發(fā)電的完美結(jié)合。

        羅斯柴爾德提出了解決清潔能源問題的三步走方案：第一步將光伏發(fā)電的效率提升到10%，第二步把氫能系統(tǒng)加進(jìn)去，第三步將淡水換成海水，“這就是完整意義的人類可持續(xù)發(fā)展藍(lán)圖”。