突破！16cm2人工叶片实现超 10% 太阳能制氢效率，开启清洁能源新时代

为解决太阳能制氢中人工叶片实际应用难题，研究人员开展基于有机 - 无机杂化金属卤化物钙钛矿（MHP-PSK）的人工叶片研究。结果显示，制备的 16cm2 人工叶片太阳能制氢效率达 11.2% 且稳定性高，为商业化太阳能制氢提供可能。

　　在能源需求日益增长、环境问题愈发严峻的当下，寻找清洁、可持续的能源成为全球科研的焦点。太阳能作为取之不尽、用之不竭的清洁能源，其开发利用备受关注。太阳能制氢技术有望将太阳能转化为化学能存储起来，为未来能源供应提供新途径。然而，目前的太阳能制氢系统，如光伏 - 电化学（PV-EC）和光电化学（PEC）系统，存在着诸多问题。PV-EC 系统需要大量空间且安装成本高，PEC 系统虽集成度更高，但外部布线导致电阻增加、效率降低。而人工叶片模仿自然叶片的结构和功能，具有空间需求小、成本低的优势，成为太阳能制氢领域的研究热点。不过，实现一个满足太阳能 - 氢（STH）转换效率超 10%、长期耐用性以及易扩展性的实用尺寸的太阳能水分解装置，一直是科研人员面临的巨大挑战。

在此背景下，韩国蔚山科学技术院（Ulsan National Institute of Science and Technology，UNIST）的研究人员开展了深入研究。他们成功开发出一种可扩展且耐用的模块尺寸人工叶片，相关研究成果发表在《Nature Communications》上。这一研究成果意义重大，为太阳能制氢技术的商业化应用带来了新的希望。

研究人员在开展研究时，主要运用了以下关键技术方法：首先是材料制备技术，制备了氯掺杂的甲脒碘化铅（Cl:FAPbI₃）和氯掺杂的二氧化锡（Cl:SnO₂）等材料；其次是电极与装置的构建技术，构建了 n-i-p 结构的 FAPbI₃薄膜光电极，并制备了集成的光阳极和光阴极，进而组装成人工叶片装置；最后是性能测试技术，通过多种测试手段对光电极和人工叶片的性能进行全面评估，如利用扫描电子显微镜（SEM）观察材料形貌，使用电化学工作站测量光电化学性能等。

下面来详细了解一下研究结果：

• FAPbI₃光阳极的器件工程：研究人员选用具有较高结晶度、较少晶格缺陷、相对较小带隙、较高热稳定性和较长载流子扩散长度的 FAPbI₃作为钙钛矿光吸收层。通过优化 Cl 在 FAPbI₃和 SnO₂中的掺杂，制备了不同的光阳极。研究发现，Cl 掺杂能显著提升光阳极的性能，例如，填充因子（FF）大幅提高，光电流密度增加。同时，相较于 TiO₂作为电子传输层（ETL），Cl:SnO₂作为 ETL 时，光阳极的性能更优，在 1.23V_RHE下实现了 24.3mA cm^-2的平台光电流，应用偏压光子 - 电流转换效率（% ABPE）达到 12.7% 。这主要归因于 Cl:SnO₂能更有效地促进电荷传输，减少电荷复合。
• FAPbI₃光阳极的稳定性：MHP-PSK 材料在高湿度和光照条件下的不稳定性是其应用的关键问题。研究人员对不同光阳极进行了稳定性测试，结果表明，NiFeCo/Ni/Cl:FAPbI_3(Cl:SnO2)光阳极表现出优异的稳定性。在 140 小时的连续水氧化操作后，该光阳极仍能保留 99% 的初始性能，而 NiFeCo/Ni/Cl:FAPbI_3(TiO2)光阳极仅保留 60% 。这得益于 Cl:SnO₂作为 ETL 能有效抑制 PSK 层的降解，减少电荷陷阱和复合位点。此外，通过 O - 环型 PEC 反应器的设计，避免了封装剂的溶解，进一步提高了光阳极的稳定性。
• 用于太阳能 H₂生成的可扩展微型模块尺寸人工叶片：为实现人工叶片的实际应用，研究人员制备了可扩展的微型模块尺寸人工叶片。该叶片由 4×4 阵列的 1cm²子电池组成，总表面积为 16cm²，包含 8 个光阳极和 8 个光阴极。在制备过程中，研究人员通过优化光阳极和光阴极的结构与组成，以及采用合适的连接方式（串联和并联），确保了高效的电荷传输。最终，该人工叶片实现了超过 10% 的模块级 STH 效率，同时产生了 H₂和 O₂气体，且二者摩尔比为 2:1。

研究结论和讨论部分指出，该研究成功制备了一种可扩展且耐用的微型模块尺寸人工叶片，其 STH 效率超过 10% 。这一成果得益于无缺陷的 Cl 掺杂 FAPbI₃、对紫外线不敏感的 Cl 掺杂 SnO₂ ETL 以及多组分共催化剂层的应用。该研究实现了光电极的成功放大，在照明面积增加超 10 倍的情况下，效率损失小于 10% ，这是人工叶片技术商业化的关键要求。此外，该人工叶片还具有高耐久性，通过 Cl 掺杂 FAPbI₃和采用 Cl:SnO₂ ETL，协同增强了光吸收 PSK 层的内在稳定性，同时 O - 环型 PEC 反应器的使用避免了封装剂溶解导致的潜在设备降解。不过，该研究也面临一些挑战，如需要建立更有效的质子传输导电通路，以及解决在同一侧产生的氢气和氧气的分离难题。未来可通过采用串联 PEC 结构或膜集成设计等方式来解决这些问题。总体而言，这项研究为太阳能制氢技术的发展提供了重要的理论和实践基础，推动了人工叶片技术向商业化应用迈进。