目前制氢方式仍离不开化石燃料，称不上完全干净的能源，因此科学家致力于研发人工光合作用设备。但该技术距离商业化还有一段距离、也存有效率低成本高等挑战，而为此美国能源局劳伦斯伯克利国家实验室提供全新的人工光合作用设备走向，研发出既能制氢又能发电的二合一多功能太阳能系统，合并效率更高达 20.2%。
人工光合作用系统是种把太阳光转换成氢气的光电解水制氢技术，然而研究发展时间已数十年之久，至今仍受限于成本高与材料不稳定等因素迟迟无法达成商业化，且人工光合作用设备可吸收的光波长有限，转换效率一直以来都相当低、难跟太阳能电池一样达到 20% 以上。
对此伯克利实验室的人工光合作用联合中心（JCAP）认为，由于科学家还没设计出集光学、电子学和化学特性于一身的混合材料，设备还没有完全发挥其潜力，因此才无法有效运作。
在传统研究中，人工光合作用设备是由一层层光吸收材料制成，每层负责吸收不同光波长，之后则会产生电压让设备可以从水中分解氢气与氧气。其中光吸收材料多是由硅与钒酸铋制成，只不过 JCAP 团队指出，虽然硅可以在太阳能电池中大放异彩，但是当它用于人工光合作用时，性能就会大打折扣，整体电流量也会因为其他材料效率不如硅而减少，最终影响制氢效率。
JCAP 科学家 Gideon Segev 表示，这个就像永远以一档行驶的汽车，虽然可以吸收能量，但由于没有发挥硅的最大价值，大多受激电子在开始运作之前就已失去能量，因此团队决定“先把电子释放出来”。
▲ HPEV 运作概念图，后方接头让设备电流能分成两道，电流一部分可用于制氢，其余电流将用来发电。（Source：劳伦斯伯克利国家实验室）
过去科学家都以人工光合作用系统的正面来制造氢气，背面则是设备电源插座位置。而 JCAP 为了突破当前困境，打造出光电化学与伏打混合系统（hybrid photoelectrochemical and voltaic，HPEV），在硅元件背面增加一个电接头，这样一来就可以将电流分成两道，其中一部分可用于光电解水制氢，另一个则用来发电，之后人工光合作用设备也不用再依靠外部电源来驱动。
新型设备的效率也相当符合科学家期待，传统人工光合作用系统制氢效率仅 6.8%，剩下的能量则全部流失，而新型 HPEC 原型可以将太阳光转换成 13.4% 电力，若再加上原有的 6.8% 制氢效率，合并效率已高达 20.2%，可说是过去设备的 3 倍。
假如该技术能成功跨越商业化门槛，将有助于提升光电解水制氢的应用范围，未来团队则希望可将 HPEV 设备用于减碳等其他用途，目前研究已发表在《Nature Materials》。
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（本文由 EnergyTrend 授权转载；首图来源：Flickr/Katy Warner CC BY 2.0））
