如果能通过太阳能发电从水中提取氢气和氧气，碳中和社会的实现将迈出一大步。为了提高太阳能-氢转换效率（STH），需要开发能以较低的过压运行的高效率水电解单元，还需要配套能满足其最大输出功率的太阳能电池。
新潟大学自然科学系的坪之内优太特任助教、Zaki Nabeih Ahmed Zahran特任副教授和八木政行教授等人组成的研究团队，与产业技术综合研究所零排放国际联合研究中心的佐山和弘博士、菅谷武芳博士、三石雄悟博士和牧田纪久夫博士的研究团队，共同开发了利用高效率水电解单元和太阳能电池的太阳能水电解绿色制氢系统。实验证明，该系统能以13.9％这一全球最高水平的转换效率稳定制氢一个月。相关内容已经发布在ACS Applied Energy Materials上。
图1：太阳能水电解制氢系统模式图（供图：新潟大学）
为了在组合使用太阳能电池和水电解单元的太阳能水电解制氢系统中实现高转换效率，除了提高太阳能电池的效率（STE）和水电解单元的效率（ETH）外，优化二者的最大输出功率比（MF）也非常重要。
研究团队2021年发现，含铁、镍和钨的混合金属氧化物（FeNiWOx）可用作高活性的稳定析氧催化剂。用FeNiWOx电极为析氧阳极，与铂析氢阴极组合制作单元电解水时，在比以往的水电解单元（315毫伏左右）更低的过电压（240毫伏）下成功地电解了水。
另一方面，已知砷化镓（GaAs）太阳能电池具有稳定的高STE，但其电动势不足以分解水。然而，此次开发的水电解单元能在低过压下工作，因此即使是双结GaAs太阳能电池的电动势也可以分解水。
研究团队实际利用双结GaAs太阳能电池和水电解单元，在伪阳光（1sun）的照射下进行了太阳能水分解，证明能以全球最高水平的13.9％的转换效率（最新的STH为6.1～16％）从水中稳定制氢一个月。如此高的STH是通过水电解单元的高电解效率（ETH为85％）和水电解单元与太阳能电池的最佳组合（MF为99％）实现的。
研究团队今后计划进一步改良该系统，实现25％以上的STH。
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：ACS Applied Energy Materials
论文：Perfect Matching Factor between a Customized Double-Junction GaAs Photovoltaic Device and an Electrolyzer for Efficient Solar Water Splitting
DOI：10.1021/acsaem.2c00768
