《JMST》综述：氢能领域最新进展：从太阳能到太阳能电池

第一作者：马柱。 通讯作者： 马柱，麦耀华，孙宽

通讯单位：西南石油大学，暨南大学，重庆大学

DOI: 10.1016/j.jmst.2023.08.030

01

全文速览

氢能满足可持续发展要求被誉为21世纪的终极能源。太阳能水分解技术特别是光伏电解（PV-EC）已经实现了太阳能氢转换效率（STH）超过10%，有效克服太阳能固有的波动性和间歇性，有助于实现“碳达峰与碳中和”的目标。基于此，该综述从基本概念和原理以及器件结构出发，全面介绍了几种不同太阳能制氢的发展与研究现状，总结该领域当前面临的挑战和机遇，对其潜在的科学研究和商业应用进行了分析和展望。

02

背景介绍

传统化石燃料（煤，石油，天然气）仍是当前主要的能量来源，它们的过度开采和使用导致大量二氧化碳排放，造成严重的环境污染。太阳能取之不尽用之不竭的特点被认为是地球上最丰富最清洁的能源，但仍需要一种能源存储方案来解决其固有的间歇性和波动性。氢是一种能量密度高、燃烧热值高的能源载体被视为21世纪的终极能源。大规模应用有望实现“碳达峰、碳中和”的使命。然而，传统的氢生产存在能源消耗大、环境污染、转化效率低等问题。针对当前的战略发展机遇，利用地球资源丰富的太阳能和清洁的水资源实现绿色氢生产势在必行。

太阳能水分解是从自然界光合作用中获得灵感，利用光能从水中提取电子，并将这些电子储存在高能化学键。光催化以及光电催化水分解具有实现大规模太阳能制氢的潜力，理论上太阳能-氢(STH)转换效率能达到5%~10%。热力学理论上，需要1.23 V的电压才能实现水分解反应，但实际反应中需要克服相关的过电位。寻找低成本且满足水分解带隙电位的半导体材料应仍是当前遭遇的阻碍。近年来，太阳能电池行业发展迅速，与光伏结合能有效解决外部能量供应。随着光伏技术快速迭代和发展，太阳能-氢的转换也有望尽早实现清洁低碳的能源利用目标。

在这篇综述中，首先从太阳能角度介绍了当前光催化和光电催化制氢研究进展，聚集于太阳能电池的角度重点讨论了光伏-电解（PV-EC）和光电催化/光伏（PEC/PV）制氢系统的结构和工作机理，从不同类型太阳能电池的特点和电极材料选择以及内在的机理联系等方面分析了光伏技术在太阳能制氢中的机遇和挑战。最后，对太阳能-氢转换系统的商业应用和产业化生产进行展望。

03

本文亮点

本综述概述了太阳能制氢领域的最新进展，阐明了光催化（PC）,光催化（PEC）,光电化学/光伏（PEC/PV）以及光伏电解（PV-EC）制氢的概念、基础原理以及器件结构，从配置设计、电极材料等方面总结了当前发展面临的机遇和挑战。最后，对太阳能氢转换的商业应用和工业化生产进行了前瞻性的分析和展望。

04

图文解析

05

总结与展望

传统化石能源不断的被消耗，可再生能源的发展势在必行。应对即将到来的能源危机，将太阳能储存并转换为氢能是理想的解决方案。近年来，太阳能-氢转换技术取得了显著的进步，但要大规模实现商业化应用仍面临许多挑战。

（1）光催化剂通常以粉末悬浮液的形式进行，装置精简容易搭建。但在大规模应用中受到一些挑战。(i)反应过程需要消耗大量的水造成设备规模庞大。(ii) 催化剂被吸收到反应器底部不能有效吸收太阳光。（iii）回收和处理产物造成资源浪费。

（2）光电催化受半导体材料的带隙限制。串联光伏电池能有效解决偏压问题，提升整体的太阳能水分解效率。在不同的PEC/PV中，光电极对体系的性能起决定性作用。提升材料性能的方法主要包括掺杂元素调整能带结构、表面形态控制和构建异质结能带工程等。PEC/PV系统有望成为未来太阳能-氢商业化应用中的一个竞争性候选方案。

（3）光伏电解技术工艺操作简单，制氢规模不受太阳能资源限制。与分布式PV-EC相比，集成PV-EC系统可以优化光伏阵列以满足电解需求，实现最小的功率转换损失。开发低成本及性能优异的光伏材料和高效稳定的非贵金属催化剂，优化光伏-电解结构减轻集成系统的复杂程度是当前光伏电解制氢应用所急需解决的问题。

06

作者简介

马柱

本文通讯作者

西南石油大学 副教授

主要研究领域：钙钛矿太阳能电池、钙钛矿晶硅叠层太阳能电池、钙钛矿光伏/光电催化制氢、水风光绿电消纳系统、机器学习光伏应用。

主要研究成果：已在Adv. Energy Mater. Adv. Funct. Mater., Nano Energy，Chemical Eng. J, J. Energy. Chem，J. Mater. Sci. Technol.等期刊发表SCI论文70余篇，累计引用超过1200次；申请国家发明专利37余件，目前已授权国家发明专利22件；参加国际国内学术会议20余次，受邀做口头报告18次。目前担任ACS AMI、ACS AEM、PCCP等17个国际知名SCI期刊审稿人。主持和参与了省部级和企业联合项目14余项。

Email：deve198509@163.com

个人主页：

https://www.swpu.edu.cn/ipv/info/1014/1870.htm

李炎林

本文第一作者

西南石油大学 2021级硕士研究生

主要研究领域：钙钛矿光伏制氢。

主要研究成果：硕士研究生期间多次获得研究生学业一等奖学金、西南石油大学优秀研究生等荣誉称号，以第一作者身份在Journal of Materials Science & Technology期刊上发表论文。

07

引用本文

Y. Li, Z. Ma, S. Hou, Q. Liu, G. Yan, X. Li, T. Yu, Z. Du, J. Yang, Y. Chen, W. You, Q. Yang, Y. Xiang, S. Tang, X. Yue, M. Zhang, W. Zhang, J. Yu, Y. Huang, J. Xie, C. Tang, Y. Mai, K. Sun, Recent progress in hydrogen: From solar to solar cell, J. Mater. Sci. Technol. 176 (2024) 236–257.

本文来自“JMST”。