如果能透過太陽能發電從水中提取氫氣和氧氣，碳中和社會的實施將邁出一大步。爲了提高太陽能-氫轉化效率（STH），需要開發能以較低的超壓力運行的高效率水電解單元，還需要配套能滿足其最大輸出功率的太陽能電池。
新潟大學自然科學系的坪之内優太特任助教、Zaki Nabeih Ahmed Zahran特任副教授和八木政行教授等人組成的研究團隊，與產業技術綜合研究所零排放國際聯合研究中心的佐山和弘博士、菅谷武芳博士、三石雄悟博士和牧田紀久夫博士的研究團隊，共同開發了利用高效率水電解單元和太陽能電池的太陽能水電解綠色制氫系統。實驗證明，該系統能以13.9％這一全球最高水平的轉化效率穩定制氫一個月。相關内容已經發布在ACS Applied Energy Materials上。
圖1：太陽能水電解制氫系統模式圖（供圖：新潟大學）
爲了在組合使用太陽能電池和水電解單元的太陽能水電解制氫系統中實施高轉化效率，除了提高太陽能電池的效率（STE）和水電解單元的效率（ETH）外，最適化二者的最大輸出功率比（MF）也非常重要。
研究團隊2021年發現，含鐵、鎳和鎢的混合金屬氧化物（FeNiWOx）可用作高活性的穩定析氧觸媒。用FeNiWOx電極爲析氧陽極，與鉑析氫陰極組合製作單元電解水時，在比以往的水電解單元（315毫伏左右）更低的過量電壓（240毫伏）下成功地電解了水。
另一方面，已知砷化鎵（GaAs）太陽能電池具有穩定的高STE，但其電動勢不足以分解水。然而，此次開發的水電解單元能在低超壓力下工作，因此即使是雙結GaAs太陽能電池的電動勢也可以分解水。
研究團隊實際利用雙結GaAs太陽能電池和水電解單元，在僞陽光（1sun）的照射下進行了太陽能水分解，證明能以全球最高水平的13.9％的轉化效率（最新的STH爲6.1～16％）從水中穩定制氫一個月。如此高的STH是透過水電解單元的高電解效率（ETH爲85％）和水電解單元與太陽能電池的最佳組合（MF爲99％）實施的。
研究團隊今後計劃進一步改良該系統，實施25％以上的STH。
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：ACS Applied Energy Materials
論文：Perfect Matching Factor between a Customized Double-Junction GaAs Photovoltaic Device and an Electrolyzer for Efficient Solar Water Splitting
DOI：10.1021/acsaem.2c00768
