港城大何志浩（Jr-hau He）教授团队与合作者 AEM综述：太阳能制氢-光伏电解和光电催化总结及其大规模化的技术经济性分析

第一作者：李忠效

通讯作者：何志浩（Jr-hau He）*，方晓生*, 钟仁杰*，孙海定*

单位：香港城市大学，复旦大学，台北科技大学，中国科学技术大学

通过零污染、可持续、低成本和高效率的工艺生产的氢气被视为21世纪的“终极能源”。太阳能水分离技术，特别是光伏电解（PV-EC）和光电化学（PEC）已经证明了实用的太阳能到氢气的转换效率（超过10%），有望将一想法成为现实。因此，这两项有前途的技术同时受到了学术界和工业界的青睐。

在过去50年中，学术界已经对PV-EC和PEC器件进行了广泛而全面的研究。在此阶段，有必要对前期工作做一总结，阐明PV-EC和PEC的概念、基础原理以及其器件结构，方便人们了解其发展过程及研究现状，并在此基础上使性能进一步提升。在工业领域，人们则更关心用现有技术设计的大规模绿色制氢体系的成本问题。

基于此，来自香港城市大学的何志浩教授、复旦大学方晓生教授、台北科技大学钟仁杰教授以及中国科学技术大学孙海定教授，在知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Solar hydrogen”的综述文章。该综述文章仔细阐明了PV-EC和PEC的基本概念和原理，详尽地回顾了近50年来的发展过程及其研究现状。

同时，以当前先进的实验器件为模型，对大规模化PV-EC和PEC制氢体系进行了全面的技术经济性分析，指出虽然太阳能绿氢成本目前无法与基于化石燃料的生产方式相竞争，但对于PV-EC技术，开发具有成本竞争力的高效电解槽系统和组件（阳离子/阴离子交换膜）可以加快实现低成本大规模化绿氢制备。同时，目前PEC绿氢制备成本与PV-EC相比还有较大差距，其更多精力应放在提升PEC整体效率和寿命的问题上，并有望达到甚至超越PV-EC绿氢制备成本。

PV-EC技术在多年发展中演变出两种大类。第一种是光伏组件和电解槽通过电线串联连接，称为“传统PV-EC”。另一种称为“集成PV-EC”，通过涂覆与电解质接触的导电层和电催化剂层，大大缩短了太阳能电池和电解槽之间的距离，更有利于热管理进而提升整体性能。

直接连接是传统PV-EC研究的最常用方法，避免了DC-DC转换器产生的损耗，装置的效率和稳定性取决于光伏电池和电解槽的性能。但应仔细调整太阳能电池和电解槽之间的适当串并联结构，确保操作点接近太阳能电池的MPP。然而，高性能设备（III-V太阳能电池或PEM电解槽）通常价格昂贵，这对大规模制氢是不利因素。钙钛矿/Si串联太阳能电池是高性能PV-EC（STH效率>20%）的高潜力候选者，但其稳定性需进一步提升以满足大规模应用的需求。

尽管集成PV-EC在太阳能水分离领域是一种有吸引力的配置，但仍存在许多挑战，尤其是在硅基器件中。在这种配置中，基于Si的系统的高STH效率（>5%）尚未构建用于放大应用。此外，需要为扩展操作设计稳定的硅基集成PV-EC器件结构，这对于实际应用至关重要。最近，Pehlivan等人提出了一种基于（Ag，Cu）（In，Ga）Se₂的集成PV-EC，从实验室规模（1.6 cm²）到100 cm²。通过将四个电池互连的PV模块与NiMoV NiO电解槽组合，获得了100小时最大9.1%和8.5%的平均STH效率。该装置进一步证明了热管理的优势以及集成PV-EC的显著改进空间。

要点二：光电化学（PEC）制氢

无偏压PEC全解水器件主要有三种类型：PEC-PEC结构， PV-PEC结构，buried-junction结构。通过对过去具有代表性的PEC器件的总结归纳，不难看出高效稳定的PEC器件通常伴随着高效的电荷分离和快速的电荷转移，这通常难以单独使用简单的半导体-液面界面来实现。因此，将引入额外的层来构建同质结或异质结（通常为p–n结、II型异质结等）。同时，两个光电极的光学吸收的匹配程度决定了串联电池的最大理论效率。因此，除了层结构工程之外，具有可调谐带隙特征的合适的新型无机半导体和有机聚合物半导体/钙钛矿已经引起了更多的关注。

要点三：PV-EC和PEC技术大规模绿氢生产的技术经济性分析

基于目前实验室的器件效率，考虑到初始投资、维护运营和更换费用，以及相关技术参数假设，传统PV-EC，集成PV-EC以及PEC的大规模氢气制备成本分别为6.70美元/千克、9.16美元/千克和14.60美元/千克。虽然目前这个价格离最终理想价格相聚甚远，但基于光伏以及太阳能技术的快速发展，通过效率，寿命以及部件成本的进一步优化，其对应价格有望成倍降低（如下图所示）。

Solar hydrogen

何志浩教授，2007-2019曾就职于国立台湾大学和阿卜杜拉国王科技大学电气工程系。现为香港城市大学材料科学与工程系教授。其研究领域是能源材料与器件、Micro-LED芯片。文章总被引超过25000次，H因子86，2020-2022年间，被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。同时还是美国光学学会(OSA),国际光学工程学会(SPIE)与皇家化学学会(RSC)会士。除了科学研究之外，何志浩教授对技术工业化相当重视，积极参与产学合作、持续技术转移给工业界。

近年来，主持多项国家级科研项目，取得了重要进展。到目前为止，已在Adv. Mater., Nano lett., Adv. Funct. Mater. ACS Nano, Nano Energy, Chem. Sov. Rev., Chem. Rev.等学术期刊上发表学术论文240余篇，文章总被引超过25000次，H因子92，2014至2021连续八年被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。

在光电材料和器件领域重要期刊，如Nature Electronics, Adv. Funct. Mater., ACS Photonics, Optica, Nano Energy, IEEE Electron Device Lett., Appl. Phys. Lett., Opt. Express, Nanoscale等发表70篇论文（其中一作20篇，通讯作者21篇）。受邀长期担任多个国际会议的分会联席主席，Journal of Electronic Packaging等SCI期刊客座编辑（2019，Guest Editor），Advanced Materials等二十多家重要期刊审稿人。

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