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幾十年來，世界各地的研究人員一直在尋找利用太陽能制氫的關鍵反應方法，即如何將水分子分解為氫和氧。雖然大部分努力以失敗告終，少數結果也面臨成本過高的尷尬。德克薩斯大學奧斯汀分校的一個研究小組仍然設法找到了一種低成本的“半”解決方案。
在最近發表在《自然通訊》期刊上的一篇文章中，學校的研究人員找到了一種利用陽光有效地將氧分子與水分離的方法。
早在1970年代，研究人員就已經提出了利用太陽能生產氫氣的可能性。然而，由于無法找到有效催化的特殊材料，這種方法長期以來一直沒有普及。
光電陽極的幾何結構和功能示意
科克雷爾工程學院電氣和計算機工程教授 Edward Yu 說：“你需要有效地吸收太陽能，同時確保材料在水解反應過程中不會降解。”
事實證明，在水分解反應所需的條件下，善于吸收陽光的材料往往不夠穩定，穩定的材料往往對陽光的吸收能力較差。
研究圖一：金屬-絕緣體-半導體光陽極示意圖
這些矛盾使得研究人員不得不在很多方面做出妥協。但是通過將多種材料組合到一個設備中，可以有效地解決這種沖突。
在這種情況下，研究團隊結合了一種可以有效吸收太陽能的材料（如硅），輔以另一種穩定性更好的材料（如二氧化硅）。
研究圖片 2：Al 尖峰后電阻變化
在實踐中，這帶來了另一個挑戰——要在硅中吸收太陽能產生的電子和空穴，它必須能夠輕松穿過二氧化硅層。
一方面，這意味著層厚度不超過幾納米。另一方面，它會降低其保護硅吸收劑免于降解的有效性。
研究圖 3：Ni 電沉積的表征
好消息是，研究團隊找到了一種方法，可以通過厚二氧化硅層創建導電路徑。新的解決方案可以低成本使用并擴展到大規模生產過程。
為此，Edward Yu 和他的團隊率先將這項新技術應用于半導體電子芯片制造工藝中。
二氧化硅層涂有鋁薄膜，然后整個結構用于形成鋁“尖峰”陣列，完全橋接二氧化硅層。然后它可以很容易地被鎳或其他有助于催化水分解的材料所取代。
當暴露在陽光下時，這些設備可以有效地使水形成氧分子，同時在單獨的電極上產生氫氣，并在長期運行中表現出出色的穩定性。
研究圖5：不同模型的電位分布模擬
更好的是，由于用于制造這些器件的技術已廣泛應用于半導體電子產品的制造，因此新器件的批量生產也將相當容易擴大。
目前，該團隊已經提交了臨時專利申請，希望盡快將該技術商業化。
研究圖片 6：尖峰 Ni / SiO2 / P+n-Si 光電極的 PEM 表征和模擬
這項研究的詳細信息已發表在《自然通訊》雜志上。
