本周，来自加利福尼亚劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员报道了一种新型太阳能电池，它能有选择性地产生电和氢气。这些混合电池的面板是光电和电化学设备的一种新型集成，它们能储存氢气来支持太阳能、水力和风能发电机，并为像飞机这样难以充电的设备提供燃料，同时，它们能满足实时电力的需求。
Yuriy Pihosh是东京大学的一名研究员，他与所报道的工作无关，他评价劳伦斯伯克利国家实验室的设计为“简单并有创新”。Pihosh表示这一电池能够对太阳能氢的商业化产生“巨大的影响”，而太阳能氢数十年以来都是可再生能源的圣杯之一。事实上，这对于向无碳能源的转变十分重要，环境科学家称这一转变必须在本世纪中叶实现以阻止气候变化最坏的影响。
阻止太阳能氢发展的是光电化学（photoelectrochemical，PEC）电池的低效能，光电化学电池能分解水并释放氢气。直至今日，人们的大多数举措都关注在串联设计，即光电化学电池能够从串联相邻的光伏（PV）电池获得能量。然而，电不匹配及光伏电池和光电化学电池之间的连接浪费了大量光伏电池里的能量，而氢输出依然受限。
劳伦斯伯克利国家实验室这一正在申请专利的设计是一种单一的光电化学和伏打混合（hybrid photoelectrochemical and voltaic，HPEV）电池。这种光电化学和伏打混合电池能实现其光子激发电子的双重利用，从而最大限度提高其整体效能，就像热电联产电厂通过压缩天然气或者煤炭的热能和电能来实现高燃油效率一样。
光电化学和伏打混合电池通过增加第三个电极来管理其双功能的壮举。设备顶部的光电化学电极使用尽可能多的电子来产生氢气，而双重光伏电极允许剩余的电荷提供电力，就像在标准太阳能电池里那样。
将双电触点放置在光电化学和伏打混合电池的背面是关键的设计进步，劳伦斯伯克利国家实验室和美国能源部人工光合作用联合中心的博士后Gideon Segev这样说道，他也是本周发表在《自然·材料》（Nature Materials）上的报告的主要作者。
背面双触点已经是一项精确的技术，已被圣何塞的Sunpower公司里应用在高效能光伏面板上。此技术消除了顶部的电极条，这些电极条阻挡了部分光线穿透电池。“这是大家都知道的东西。我们只是用不同的方式将它们像拼图碎片那样组合起来，”Segev说道。
Segev和他的同事使用光电化学材料模拟光电化学和伏打混合电池，以此解释他们设计的电池的能量提升。正如Pihosh在2015年所描述的那样，光电化学材料可以使6.8%的太阳光转变为氢气。在Segev和他同事的模拟中，光电化学和伏打混合电池转变出等量的氢气，但也将另外13.4%的可用太阳能转变为电力——基本上是总能量转换的三倍。
根据Segev所说，该设备也应该优雅地老化。这一点十分重要，因为光电化学材料正在努力匹配上光伏材料的多段稳健性。（光电化学电池在功效上打败了Pihosh的电池，它们依赖于短寿命的催化剂，并在几天内就失去功效。）Segev说那些氢排放退化的光电化学和伏打混合电池应该要能够产生更多的能量，从而缓解损失。
更好的是，光电化学和伏打混合电池可以进行电调制。“你积蓄了电荷之后，可以根据现在电力的价格，选择你是想将它导向氢产出还是电产出，”Segev说道。那项功能对于100%可再生的电网来说十分重要，例如那些授权建造夏威夷公共设施的电网。当需求激增或者风能发电降低的时候，装备着光电化学和伏打混合电池的氢热电厂可以将电力输出提高一半来保持输电网的平衡。
劳伦斯伯克利国家实验室的一篇新闻稿称，他们实验室团队正在探索利用光电化学和伏打混合电池来驱动其他化学反应，包括能够直接减少碳排放量的应用。但Segev表示他希望其他团队能够扩展氢方面的研究。劳伦斯伯克利国家实验室的团队创建了一个较小的，未经优化的光电化学和伏打混合电池来演示效率略高于1%的混合操作。他表示他期望看到其他团队生产出提高到“它应有的效率”的氢电池。
作者：Peter Fairley
翻译：史心悦
审校：郭晓
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