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新型光解水制氢或催生光伏技术革命

来源:科技日报  发布日期:2013.06.08  
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阿夫纳·罗斯柴尔德教授在接受采访。 本报记者 冯志文摄

        以色列理工学院太阳能燃料集优研究中心(I-CORE)的科学家研发出了一种新的光解制氢方法,这种基于纳米材料技术的发明,使低成本光解水制氢成为可能;如果嫁接光伏电池技术,则可能催生制氢光伏产业,实现光伏发电和光解水制氢两个绿色能源生产方式的结合。

  这项成果引起了广泛的关注,有人拿它跟当年名噪一时的“人造叶片”比较,并认为其前途更加光明。这项成果也使以色列政府近年来倾力打造的“脑力回流”科研平台I-CORE格外引人注目。近日,科技日报记者专访了以色列理工学院太阳能燃料集优研究中心该项目首席研究员阿夫纳·罗斯柴尔德教授。

  纳米材料技术带来的革命

  “用集成串联光伏电池实现光解水制氢完全可行,光伏发电的同时制氢、储氢,氢燃料再用于补充黑夜和阴天的发电需要。”罗斯柴尔德告诉记者,“我们已找到一种方式来捕捉光,用超薄铁氧化物薄膜,也就是用比办公用纸还薄5000倍的铁锈,即三氧化二铁来储存光,这是实现高效率和低成本的关键。”他们的研究成果发表在《自然材料》上,论文题目是《用超薄材料捕获共振光实现水裂解》。

  氧化铁是一种常见的半导体材料,生产成本低,在水里不易氧化、耐腐蚀、耐分解,比其他半导体材料表现更稳定。但它较低的导电性是研究人员面临的最大挑战。科研人员为此奋斗多年,努力找寻光吸收分离和光生载荷收集之间的折衷方案。

  “我们的光捕获方案打破了这个瓶颈,氧化铁超薄薄膜能够有效地吸收光生电荷。”罗斯柴尔德说,“类似镜面的薄膜被置于反射基板上,光线中的四分之一波长或更深的子波长被薄膜捕获。同时向前和向后传播的光波之间增强了吸收表面,光生电荷载体的吸收效率更好。”

  谈到这项发现的重大意义,罗斯柴尔德认为,这项科研成果使光伏发电和制氢同时进行成为可能。人们可以设计制造出相对廉价的结合有超薄氧化铁光电极的太阳能电池,这种太阳能电池完全可以采用基于硅材料或其他材料的传统产品,但能同时实现光伏发电和制氢。他称,这些电池实现了太阳能储存,让光伏发电不再受黑夜和阴天影响,这是传统的光伏发电无法比拟的。

  这项发明还能减少第二代光伏电池对极稀有金属的用量,理论上讲,在不牺牲发电性能的基础上,这种太阳能电池能节约90%的碲和铟等稀有元素。

  水的消耗也是这样的光伏电厂无法回避的问题,罗斯柴尔德称,目前他们使用淡水的试验测算结果,其水的用量以及经济性和传统发电相差无几。他们还将开展使用海水进行光解制氢的研究,并对此充满信心。他称,自去年底他们的科研成果发布以来,他们在提高制氢效率方面又取得了很大进步,理论上讲,基于这种技术的光伏电厂已经可以匹敌传统发电,其成本不相上下,如果考虑到绿色、环保、低碳等因素,这样的光伏电厂已经具备优势。

  占用大量土地则是光伏电厂面临的另一个难题。罗斯柴尔德对此并不十分担心,他说,每个国家都有大量不能耕作但光照充分的土地,它们是建设光伏电厂的天然选择,而且相对于其他用途占地,全面解决能源问题的用地需要并不过分。他以以色列为例,以色列全国道路占用土地是国土面积的3%,而通过这种新型光伏电厂完全解决以色列电力需求只要国土面积的1%,就能彻底实现国家能源独立,并完全放弃石化能源。

  实现清洁能源三步走

  罗斯柴尔德分析了实现人类清洁能源梦想的各种可能性,他认为相比风能、地热能、核能、潮汐能等,太阳能光伏发电是迄今为止最为成功的清洁能源解决方案,这种20年前仅用于军事和太空的昂贵的能源技术,现在已经变得非常成熟和普及,产业化程度很高。虽然有人还在质疑它的发电成本,但就目前技术水平,在以色列光伏发电的单价已经与传统电厂的电价趋同。如果将运行周期放在30年的时间段进行对比,光伏电厂的发电成本将低于现行电价。这其中还不包括传统电厂存在的生产安全成本和付出的环境污染代价。罗斯柴尔德称,有一位以色列财政部前副总司长计算出的传统电厂的真实价格是现在光伏发电的两倍。

  罗斯柴尔德并不看好生物燃料,他认为生物燃料的发电效率不高,自然界的光合作用需要很多土地。大规模发展生物燃料,人类会面临用有限土地生产食物或者生产燃料的两难选择,能源危机与粮食危机将交织在一起。

  事实上,许多国家已经把发展可再生能源的目标大幅度提高,如以色列现在是7%,2020年要达到20%;德国的目标是到2050年将可再生能源提高到80%。相比较风能和氢能,光伏发电现在发展最快。但光伏的致命伤是黑夜和阴天不能发电,如果小规模的光伏电厂可以通过其他发电方式进行补偿和平衡,大规模光伏发电则必须解决太阳能燃料储存问题。

  应运而生的纳米氧化铁超薄膜制氢技术是一种高效人造光合作用,制氢能力10倍于自然界,嫁接现在非常成熟的光伏技术,则可实现光解水制氢光伏发电的完美结合。

  罗斯柴尔德提出了解决清洁能源问题的三步走方案:第一步将光伏发电的效率提升到10%,第二步把氢能系统加进去,第三步将淡水换成海水,“这就是完整意义的人类可持续发展蓝图”。

  (科技日报特拉维夫6月5日电)

(来源:科技日报)