數十年來，世界各地的研究人員一直在尋找利用太陽能來制氫的關鍵反應方法，即如何將水分子分解成氫氣和氧氣。 儘管大多數努力以失敗而告終，且少數成果也面臨著成本過高的尷尬。 德克薩斯大學奧斯丁分校的一支研究團隊，還是設法找到了一種低成本的”半個”解決方案。

水裂解裝置示意（來自：UTEXAS / 科克雷爾工程學院）

在近日發表於《自然通訊》期刊上的一篇文章中，該校研究人員找到了一種利用陽光來有效從水中分離氧分子的方法。

早在 1970 年代，就已經有研究人員提出了利用太陽能來制氫的可能性。 但由於無法找到有效催化的特殊材料，該方法遲遲未能流行開來。

光電陽極期間的幾何結構與功能示意

科克雷爾工程學院的電氣與計算機工程系教授Edward Yu表示：「你需要高效地吸收太陽能，同時確保材料不會在水解反應時被降解」。。

事實證明，在水分解反應所需的條件下，善於吸收陽光的材料往往不夠穩定，而穩定的材料又常常對陽光的吸收能力較差。

研究配圖 – 1：金屬-絕緣體-半導體光陽極示意

這些矛盾點，使得研究人員必須在多方面有所折衷。 但通過將多種材料組合到單體設備中，即可有效化解這種衝突。

此例中，研究團隊就結合了一種能夠高效吸收太陽能的材料（比如矽），輔以穩定性更好的另一種材料（例如二氧化矽）。

研究配圖 – 2：Al尖峰后的電阻變化

實際運用中，這又帶來了另一項挑戰 —— 在矽中吸收太陽能所產生的電子和空穴，必須能夠輕鬆地穿過二氧化矽層。

一方面，這意味著層厚度不超過幾納米。 但另一方面，它這又會降低其保護矽吸收劑免於降解的有效性。

研究配圖 – 3：Ni 電沉積的表徵

好消息是，研究團隊找到了一種通過厚二氧化矽層來創建導電路徑的方法。 新方案能夠低成本地運用，並擴展到大批量生產流程中。

為此，Edward Yu 及其團隊率先在半導體電子晶片製造工藝中運用了這項新技術。

研究配圖 – 4：Ni/90 nm SiO₂/n-Si 光電層的 PEC 表征

通過鋁薄膜塗覆二氧化矽層，然後價格整個結構，以形成鋁”尖峰”陣列，並完全橋接二氧化矽層。 然後就可輕易被鎳、或其它有助於催化水分解的材料所取代。

當受到陽光照射時，這些器件能夠有效地將讓水形成氧分子，同時在單獨的電極上產生氫氣，並在長時間運行期間表現出出色的穩定性。

研究配圖 – 5：不同模型的潛在分佈類比

更棒的是，由於製造這些設備的技術，已被廣泛運用於半導體電子產品的製造，所以新裝置的大規模生產也將相當容易擴展。

目前該團隊已提交臨時專利申請，並期望儘快將該技術投入商業化。

研究配圖 – 6：Ni / SiO₂ / P⁺n-Si 光電極的尖峰表徵與類比

有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《Nature Communications》期刊上。

原標題為《Scalable， highly stable Si-based metal-insulator-semiconductor photoanodes for water oxidation fabricated using thin-film reactions and electrodeposition》。