Advanced Energy Materials | 太阳能制氢综述

原文信息：Li Z, Fang S, Sun H, et al. Solar Hydrogen[J]. Advanced Energy Materials, 2023, 13(8): 2203019.

注：发布者水平有限，疏漏在所难免，所有内容请以英文摘要和论文原文为准。

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摘要

氢气（H₂）可通过零污染、可持续、低成本和高效率的方法制得，因而被誉为21世纪的"终极能源"。而太阳能水分解技术则具有将上述理想变为现实的巨大潜力。 光伏电解（PV-EC）和光电化学（PEC）是两种前景广阔的太阳能水分解制氢技术。目前这两种技术均已经实现了超过10%的太阳能-氢能转化效率 ，而这是实现具有竞争力的价格和发展大规模系统所需的最低技术要求。过去50年的广泛研究表明，PV-EC和PEC装置设计的复杂性日益增加。为了准确描述实验室研究与实际应用之间的差距，本文详细阐述了PV-EC和PEC的基本原理和概念，并对它们的发展历史进行了系统总结，对每天生产10000千克H₂的PV-EC和PEC太阳能制氢系统进行了全面的技术经济分析。分析结果表明， 目前没有任何太阳能制氢技术能与基于化石燃料的制氢技术相抗衡 ，但通过开发成本竞争力高的水分解电解器（尤其是阳离子/阴离子交换膜），可以加快太阳能水分解技术的发展。

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结论与展望

光伏电解（PV-EC）和光电化学（PEC）技术有望实现成本有竞争力的大规模太阳能制氢。 本文回顾了50年来开发的太阳能制氢装置，其中最高的太阳能-氢能转换效率（STH）分别为8%（PEC-PEC）、12%（PEC-PV）、19%（埋藏结PN结光伏）、30%（传统PV-EC）和16%（集成PV-EC）。 总结表明，高效率的装置通常具有复杂的结构和昂贵的材料（如，多个埋藏结III-V半导体），由于价格和储量的原因，这些装置不太可能满足TW级的能源需求。对于PEC而言，简单结构（SLJ）和基于丰富地球材料的装置的STH效率均低于10%。进一步，基于最先进的示范项目进行的PV-EC和PEC系统的经济性分析，结果表明传统（类型1）和集成（类型2）PV-EC的平准化制氢成本（平准化成本）分别为6.70$/kg和9.16$/kg，PEC（类型3）的LCOH为14.60$/kg。对于未来绿色氢经济的前景，我们在短期内使用乐观的假设预测了这三种太阳能制氢系统的LCOH。结果显示，随着这三种系统的发展，未来LCOH将显著降低，为未来研究提供了方向：

1）对类型1，PV和电解器都很容易获得，且可使用现有技术建造大规模工厂。近年来，传统PV-EC制氢生产系统的示范数量和产能均已显著增加。例如，日本福岛的FH2R项目已经完成，该项目结合了一个20MW的太阳能发电站和一个10MW的水电解装置，每小时生产1200标准立方米的氢气。加拿大已经建造了一个容量为20MW的“绿氢”工厂。此外，其他国家也宣布了在10年内计划建设数百兆瓦的可再生电能项目。这些进展表明传统PV-EC的实用性。我们的分析显示，传统PV-EC的建设和运营成本高于传统的基于化石燃料的方法。发展PEM电解器系统或其他具有更高效率和更低价格的电解技术将是降低LCOH的优先事项。

2）对类型2的技术经济分析显示，通过聚光和集成配置LCOH可达到9.12$/kg。虽然类型2的LCOH比类型1更昂贵，但基于乐观的假设有望进一步降低成本。特别是除了PEM电解器系统之外，聚光型PV系统（菲涅尔透镜和III-V太阳能电池）应该得到良好发展，不仅菲涅尔透镜的价格要降低，而且其透明性和对高倍太阳辐照的耐受能力等性能还应进一步提高。

3）与前两个系统不同，类型3具有更简单的结构。然而，SLJ产生的光压和光电流不足以建造大规模的PEC。分析表明，从目前的角度来看，PEC不太可能超越PV-EC。未来可采用地球含量分数的半导体来构建具有高STH效率且稳定性长的SLJ，其必须达到超过10%的STH效率，并具有与PV电池类似的稳定性，这将降低PEC面板和系统更换的成本。通过实现无需PV技术辅助即可进行水分解，消除了基于PV材料和复杂布线配置的昂贵成本。最后，关键组件（如Nafion膜）的成本应进一步降低。我们估计，结合乐观的假设，PEC在未来有巨大的机会超越PV-EC。

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图文综述

Figure 13. Waterfall charts showing the potential LCOH in the short term for: a) Type 1; b) Type 2; c) Type 3.