假如科学家能成功透过分解水获取氢气，制氢技术或许能摆脱化石燃料，让燃料电池成为百分之百绿能技术。但是说得简单，实际上水分解制氢又贵又复杂，光催化反应也常需要铂等贵金属参与，可说是科学家难以突破的大挑战。
而近期欧美联合科学团队成功在太阳能水分解制氢有所突破，利用光催化剂铑奈米粒子、二氧化钛结晶涂层与 III-V 族半导体串联太阳能电池，将水分解制氢转换效率提升到 19.3%。不管是转换效率还是稳定性，都比以往的绿能制氢技术还要高，且只要将设备浸入水介质（aqueous medium）中，就可以直接产生氢气，大大减少制氢复杂性。
该研究团队由德国光电半导体元件实验室 Helmholtz-Zentrum Berlin（HZB）、英国剑桥大学、美国加州理工学院（Caltech）、德国伊尔梅瑙工业大学（TU Ilmenau）和 德国 Fraunhofer 太阳能系统研究所（ISE）跨国组成，并已发表在《ACS Energy Letters》。
为了简化水分解制氢的复杂性，该科学团队决定打造一个“万能钥匙”，将光催化粒子、串联半导体太阳能电池与二氧化钛结晶层组合成一片独立光电极（monolithic photocathode），只要将该光电极浸泡在水溶液中、接触阳光，电极就会开始运作并产生氢气与氧气。
▲ 光电极正面会产生氢气，背面则负责制造氧气。（Source：HZB）
不过要让光电极成功并稳定运作也不容易，研究员在材料下了不少工夫，像是为了不让半导体电池受到各式溶液腐蚀，团队在电池上覆涂结晶二氧化钛层，HZB 科学家 Matthias May 指出，二氧化钛结晶层除了可以减少表面光反射（surface reflectivity），还可以抗腐蚀，将电池寿命从原本的 40 小时延长到 100 小时。
而二氧化钛层除了具有优异的抗腐蚀、光反射性能，也能让光催化剂颗粒也能轻松附着在上面，让光电极具有一片多功能效果。Caltech 教授 Harry Atwater 表示，团队利用新电化学方法制造铑奈米粒子光催化剂，其直径只有10nm、在光学上来说几乎是透明的，相当适合用于促进水分解反应。
研究结果也非常符合科学家预期，该电池转换效率除了在中性电解液达 18.5%，浸泡在稀溶液（dilute aqueous）中也能高水准发挥，转换效率突破 19.3%，已十分接近最高理论效率 23%。
团队也乐观看待，认为他们可以利用材料电子特性达成目标，并透过最佳化材料组合，进一步降低成本、扩大规模，将水分解制氢设备带出实验室。目前 ISE 也正和 TU Ilmenau 团队将 III-V 半导体与硅结合，打造成本更低的电池，有望制造出低成本高效率、符合消费者与科学家期待的绿能制氢技术。
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（本文由 EnergyTrend 授权转载；首图来源：Flickr/Ineke Huizing CC BY 2.0）
