勞倫斯伯克利國家實驗室的混合型光電池使用一些電荷驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)（頂部），其余的則用于產(chǎn)生電能（底部）。

10月29日Nature Materials上發(fā)表的一篇文章介紹了加州勞倫斯伯克利國家實驗室（LBL）的研究人員發(fā)明的一種新型太陽能電池，這種電池可以選擇性地產(chǎn)出電能和氫。這種混合型電池的面板是對光伏裝置和電化學(xué)裝置創(chuàng)新性集成，可在滿足實時能源需求的同時積攢用以支持太陽能、水力和風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及為難以通電的設(shè)備（如飛機(jī)）提供燃料的氫。

東京大學(xué)的科學(xué)家Yuriy Pihosh（并未參與上述研究工作）稱，LBL的設(shè)計是“簡單且創(chuàng)新的。”Pihosh說，這可能對太陽能制氫的商業(yè)化有“巨大的影響”。幾十年來，太陽能制氫一直是可再生能源的圣杯之一。事實上，LBL的設(shè)計對向無碳電力的轉(zhuǎn)變是非常重要的。氣候科學(xué)家認(rèn)為，必須在本世紀(jì)中葉前實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變，以避免氣候變化帶來最嚴(yán)重的影響。

太陽能制氫的一個障礙是分解水并釋放出氫氣的光電化學(xué)（PEC）電池的低效率問題。迄今為止的大多數(shù)努力都集中在串聯(lián)設(shè)計上，PEC電池利用串聯(lián)連接的相鄰PV電池獲得效率提升。然而，PV和PEC裝置之間的電氣不匹配和接觸會浪費PV電池的很多能量，氫產(chǎn)量仍然有限。

LBL正在申請專利的設(shè)計是一種混合型光電化學(xué)和伏特（HPEV）電池。這種HPEV電池雙重利用被光子激發(fā)的電子，從而實現(xiàn)其整體效率最大化，就像熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠通過擠壓產(chǎn)自天然氣或煤炭的熱能和電能來實現(xiàn)高燃油效率一樣。

HPEV電池通過添加第三個電極來實現(xiàn)其雙重功能。設(shè)備頂部的PEC電極使用足以產(chǎn)生出氫氣的大量電子，而雙PV電極利用剩余電荷來提供電能（就像它們在標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池中所做的那樣）。

Gideon Segev說，將雙電觸點置于HPEV電池的背面是關(guān)鍵的設(shè)計改進(jìn)。他是LBL與美國能源部人工光合作用聯(lián)合中心的博士后，是前述文章的第一作者。

雙背觸點已經(jīng)是一種應(yīng)用于SunPower公司（總部位于圣何塞）開發(fā)的高性能PV板的久經(jīng)磨練的技術(shù)，他們在這種PV板上去除了會阻擋一些光線進(jìn)入到電池中的頂面電極條。Segev說：“這是眾所周知的。我們只是以不同的方式來拼拼圖。”

Segev和他的同事們通過使用PEC材料模擬HPEV電池來說明他們的設(shè)計所帶來的能量提升。Pihosh在2015年展示過PEC材料可以將6.8％的太陽能轉(zhuǎn)化為氫。在Segev等人的模擬中，HPEV電池產(chǎn)生能相同數(shù)量的氫，但還將另外13.4％的可用太陽能轉(zhuǎn)化為電能——總能量轉(zhuǎn)換率基本上是三倍。

Segev說，這種設(shè)備也應(yīng)該優(yōu)雅地老化，這一點很重要，因為在穩(wěn)健性方面PEC材料正在努力追趕PV材料（后者具有長達(dá)幾十年的穩(wěn)健性）。（效率勝過Pihosh的PEC電池的PEC電池依賴于短壽命的催化劑，在幾天內(nèi)就失效。）Segev說氫產(chǎn)量衰減的HPEV電池應(yīng)該能產(chǎn)生更多電能，從而緩解損失。

更好的是，HPEV電池可以進(jìn)行電調(diào)制。Segev說：“你有一個電荷庫，你可以選擇要引導(dǎo)它去產(chǎn)氫還是產(chǎn)電，這取決于現(xiàn)在的電力成本”。這種功能對于100%可再生能源供電的電網(wǎng)（例如在夏威夷強(qiáng)制建設(shè)的那些100%可再生能源供電的電網(wǎng)）來說至關(guān)重要。當(dāng)需求激增或風(fēng)力發(fā)電下降時，配備HPEV電池的氫電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠可將其產(chǎn)電量提高一半以保持電網(wǎng)平衡。

LBL發(fā)布的一則新聞稱，該LBL團(tuán)隊目前正在探索使用HPEV電池來驅(qū)動其他化學(xué)反應(yīng)，包括可能直接減少二氧化碳排放的多種應(yīng)用。但Segev說，他希望其他團(tuán)隊能夠拓展產(chǎn)氫的研究工作。LBL團(tuán)隊制作了一個小的、未經(jīng)優(yōu)化的HPEV電池來演示混合操作，其效率略高于1%。他說，他期待著其他團(tuán)隊生產(chǎn)出具有“應(yīng)有的效率”的氫電池。