单结CsPbBr3太阳能电池耦合电解槽实现1.7%太阳能制氢效率：迈向低成本人工光合作用新突破

本研究针对太阳能全分解水（SOW）系统需多结光吸收器的技术瓶颈，开发了基于宽禁带CsPbBr3（2.3 eV）钙钛矿的单结光伏-电化学（PV-EC）系统。通过Li2CO3处理SnO2电子传输层将开路电压（VOC）提升至1.63V，驱动NiFeOx/Pt电解槽实现1.7%的太阳能-氢能（STH）转换效率，为单光吸收器-双光子（S2）系统提供了迄今最高效率范例。技术经济分析表明该体系理论STH可达12%，氢成本可降至5.5美元/千克，为可再生能源制氢提供了新范式。

　　

在应对全球能源转型的迫切需求中，太阳能驱动水分解制氢技术被视为最具潜力的解决方案之一。传统人工光合作用系统虽已实现12.4%的效率，但必须依赖多个光吸收器串联才能产生超过1.44V的驱动电压，这显著增加了系统复杂性和成本。更令人遗憾的是，单光吸收器-双光子（S2）系统的最高效率长期停滞在0.65%，成为制约该技术规模化应用的瓶颈。

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Michael Gr?tzel团队与韩国蔚山国立科学技术院（UNIST）Jin Young Kim课题组合作，在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。研究人员创新性地采用全无机CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池（PSC）作为单一光吸收器，其2.3eV的宽禁带特性可产生高达1.63V的开路电压，成功克服了单结器件驱动水分解的电压门槛。通过Li₂CO₃处理SnO₂电子传输层优化能带排列，将电压损失降至590mV，同时采用NiFeO_x/Ni泡沫阳极与Pt/Ni泡沫阴极构建碱性电解槽，最终实现了1.7%的STH效率——这是目前S2系统的最高纪录。

研究团队运用了多项关键技术：通过瞬态光电压（TPV）和瞬态光电流（TPC）测量分析载流子动力学；采用紫外光电子能谱（UPS）精确测定能级排列；开发单片集成器件实现水下稳定工作；结合气相色谱（GC）定量氢气产出。技术经济模型预测显示，若将光子转换效率（IPCE）提升至100%，该体系理论STH可达12%，使氢气生产成本降至5.5美元/千克。

CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池
通过多步沉积法制备的CsPbBr₃薄膜经Li₂CO₃处理后，光致发光强度显著增强，载流子复合寿命从4.393μs延长至6.335μs。UPS测试证实SnO₂的导带最小值（CBM）向CsPbBr₃靠近，使器件V_OC从1.37V提升至1.50V，优于有机-无机杂化MAPbBr₃电池（1.40V）。

单结PV-EC系统性能
在1.0M KOH电解液中，NiFeO_x/Ni泡沫-Pt/Ni泡沫组合表现出最佳催化活性，起始电位仅1.40V。与CsPbBr₃光伏组件耦合后，在0.0V偏压下产生4.07mA/cm²的光电流，对应5.0%的STH效率。气相色谱证实实际H₂产出对应1.7%的STH，法拉第效率达90%。

技术经济前景
参数敏感性分析显示STH效率是影响氢成本的关键因素：当效率从3%提升至6%时，成本可降低12.6美元/千克。单片集成器件在0.5太阳光强下仍能自发产生气泡，证实了其作为"人工树叶"的应用潜力。

这项研究的重要意义在于首次证实单结钙钛矿器件可突破S2系统的效率瓶颈，其1.7%的STH效率是先前纪录（0.65%）的2.6倍。通过将宽禁带钙钛矿的材料优势与成熟电解技术结合，不仅简化了系统架构，更通过技术经济分析指明了商业化路径。研究团队特别指出，随着CsPbBr₃电池效率向10%的理论极限迈进，该技术有望满足美国能源部设定的太阳能制氢成本目标（2美元/千克），为可再生能源制氢提供了极具竞争力的技术方案。