通過模仿自然光合作用的關鍵步驟，美國密歇根大學最近開發了一種新型太陽能電池板，在將水轉化為氫和氧方面達到了9%的效率。這代表了技術上的重大飛躍，並比同類太陽能解水製氫設備效率高出近10倍。

幾十年來，世界各地的研究人員一直在尋找利用太陽能來生產清潔能源氫的方法，即分解水分子形成氫和氧的方法。然而，這些努力大多以失敗告終，因為成本太高，而試圖以低成本完成的工藝往往又效果不佳。

但研究人員稱，這款全新裝置最大的好處是降低了可持續氫的成本。這是通過縮小半導體來實現的，半導體通常是設備中最昂貴的部分。該團隊的自修復半導體器件可以承受相當於160個太陽的強光。研究成果已於近期發表在了《自然》雜誌上。

“最終，我們相信人工光合作用設備將比自然光合作用更有效，這將為實現碳中和提供一條途徑，”密歇根大學電氣和計算機工程教授Zetian Mi說。

據研究人員介紹稱，這一突出成果來自兩個方面的進展。第一個是在不破壞半導體器件的情況下，承受高強光的照射。

“與一些只在低光強度下工作的半導體相比，我們將半導體的尺寸減小了100多倍，”密歇根大學電氣和計算機工程研究員、該研究的第一作者Peng Zhou說。，“用我們的技術生產氫氣可能會非常便宜。”

第二個是新裝置能利用太陽光譜中能量較高的部分來分解水，同時利用光譜中能量較低的部分來提供熱量來促進反應。這種“魔力”是由一種半導體催化劑實現的，這種催化劑在利用陽光驅動化學反應時，會隨著使用而自我修復，減輕催化劑通常會經歷的退化反應。

具體而言，這種催化劑由氮化銦鎵納米結構製成，生長在矽表面。半導體晶片捕獲光線，將其轉化為自由電子和空穴。納米結構中佈滿了直徑為1/2000毫米的納米級金屬球，利用這些電子和空穴來幫助引導反應。

面板上有一層簡單的絕緣層，將溫度保持在75攝氏度的舒適溫度，溫度足以促進分解反應，同時這個溫度也能使半導體催化劑發揮良好作用。在室外版本的實驗（陽光和溫度難以把控）中，將太陽能轉化為氫燃料的效率達到了6.1%。而在室內，該系統的效率達到了9%的效率。

值得一提的是，研究人員指出，除了處理高光強度外，它還可以在通常對半導體不利的高溫下更好地工作。高溫加速了水的分解過程，額外的熱量也促使氫和氧保持分離，而不是重新結合併再次形成水。這兩種方法都幫助研究小組收穫了更多的氫氣。

未來，該團隊打算解決的下一個挑戰是進一步提高效率，並實現可以直接輸入燃料電池的超高純度氫。