美國史丹佛大學(Stanford Unviersity)的研究人員發現一種實現大規模太陽能電力儲存的新方法。其方式是使用一般的金屬氧化物(例如鐵鏽),從而使太陽能電池能夠將水分解成氫和氧。

這種方式是在白天利用太陽能電池分解水,以儲存能量供夜間使用。太陽能電池所擷取的光子可被轉換成提供能量的電子,從而進行水分解。在夜晚時重新結合氫氣與氧氣則可回收能量,並將電力分配傳回電網——無需燃燒石化燃料以及造成碳排放。

研究人員已知金屬氧化物具有太陽能電力位能。然而,金屬氧化物結構的太陽能電池在將光子轉換為電子的光電轉換效率卻也不如矽基太陽能電池。

根據《能源與環境科學》(Energy and Environmental Science)期刊的最新研究報告指出,史丹佛大學的研究人員如今能夠讓金屬氧化物太陽能電池成為更有利於能量儲存的候選方案。研究小組的研究結果顯示,當金屬氧化物太陽能電池變得越熱時,將光子轉換化為電子的效率也更好。而矽基太陽能電池的情況剛好相反,當溫度升高時,其效率降低。

「我們能夠證實價格低廉、豐富且易於處理的金屬氧化物可能成為更好的電力生產者,顛覆我們以往的印象,」史丹佛大學材料科學與工程系助理教授William Chueh表示。

「藉由結合熱和光,基於金屬氧化物結構的水分解太陽能電池在儲存取之不竭的陽光能源方面明顯更具有效率,」Chueh表示。

截至目前為止,以水分解作為儲存太陽能量的方式明顯不切實際。原因之一在於成本效益。矽基太陽能電池(例如用於屋頂上的太陽能陣列)則更適於將可見光與紫外線轉化為電力。但矽基太陽能電池卻耗費了承載熱量的紅外線以及使效率降低。

「標準電池僅利用一小部份的頻譜,其餘的都因熱而耗散了,」Chueh表示。

在史丹佛大學最近進行這項研究以前,一般仍認為金屬氧化物的溫度越高,其效率越低。而且,由於金屬氧化物被認為效率較矽更低,使得人們一開始把它拿來當作水分解技術的興趣缺缺。

在這項研究中,研究人員們測試了三種金屬氧化物——氧化鉍釩、氧化鈦和氧化鐵(通常被稱為鐵鏽)。他們想看看這些氧化物在不同溫度下將光子轉換為電子以及將水分解為氫和氧的效率如何。

「在這三種情況下,我們觀察到在更高溫度下產生了更多的氫氣和氧氣,」在Chueh實驗室共同進行研究的史丹佛大學博士班研究生Liming Zhang表示,「我們發現溫度越高,更能提高這些電池的載子遷移率——以一種可讓電子通過金屬氧化物的速度移動。」

該研究論文的另一名作者Xiaofei Ye表示,「它所提升的效率十分顯著。根據我們的研究顯示,以陽光提高金屬氧化物的溫度,能夠使氫氣生產速率倍增。」


(來源:Stanford Unviersity)

在所測試的三種氧化物中,氧化鉍釩的效率最高。但研究人員認為,熱增強的效果可能適用於許多不同的金屬氧化物,因此,他們計劃測試更多以往被認為不適用於太陽能電池節材料。

研究人員並發現,加熱金屬氧化物就能產生更多能量,意味著只需將簡單的工程技術應用於加熱太陽能電池,即可提升其效率。

Chueh認為,這項研究發現可望重新關注於開發金屬氧化物,使其作為具成本效益的替代方案,以取代矽基太陽能電池。相較於可能日以繼夜用於儲存能源的方案,研究人員認為由水分解而產生的純氫氣還可能用於直接為汽車或其他機具供電,而且不會污染環境。

「我們可以儲存這些氣體,然後透過管線進行傳送;而且,當我們燃燒這些氣體時,也不會有任何的碳排放,」Chueh強調,「這是一種碳中和的能量循環。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Rust to help with electrolysis for solar power storage,by Paul Buckley)