在全球能源结构向绿色低碳转型的背景下，氢能作为零碳能源备受关注。然而，传统光电化学（PEC）水分解技术受限于光电极透明度和能量利用率，难以实现高效制氢。近日，西安交通大学苏进展团队在《能源前沿》发表最新研究，提出一种基于光谱分束器（BSs）的自偏置光电化学-光伏（PV-PEC）混合系统，将太阳能到氢能（STH）转换效率提升至传统系统的19倍，为绿氢规模化生产提供了颠覆性解决方案。

传统技术瓶颈：光电极的“遮光难题”

传统PEC系统通常采用串联结构（Model T），将光电极（如二氧化钛TiO₂、钒酸铋BiVO₄）与光伏电池堆叠。然而，光电极材料对光的强吸收导致后方组件接收的光强大幅衰减。例如，TiO₂光电极仅能透射34.7%的入射光，严重制约了系统整体效率。此外，光电极与光伏电池的能带匹配问题进一步限制了电流输出，导致传统串联系统的STH效率普遍低于0.1%。

创新设计：光谱分束技术实现“光能精准分配”

研究团队的核心突破在于引入双光谱分束器（BS1和BS2），将太阳光按波长“分拣”至不同组件：

• BS1反射300-400 nm紫外光至TiO₂光电极，透射460-800 nm可见光至BS2；
• BS2进一步反射460-480 nm蓝光至BiVO₄光电极，透射520-800 nm红光至硅基光伏电池。

这种设计使光电极和光伏电池各司其职：TiO₂和BiVO₄分别高效吸收紫外和蓝光分解水，光伏电池利用红光发电并为系统提供偏置电压，形成无外部电源的自驱动制氢系统。实验显示，分束器的反射率和透射率均超过95%，光能损失较传统系统降低70%。

性能飞跃：制氢效率提升19倍

研究团队对比了三种系统配置：

1. 传统串联系统（TiO₂+BiVO₄）：STH效率仅0.122%，光电流密度0.7 mA/cm²；
2. 双层复合电极（TiO₂/BiVO₄）：STH效率0.076%；
3. 新型分束混合系统（BS1-TiO₂||BS2-BiVO₄-PV）：STH效率跃升至1.5%，光电流密度达1.54 mA/cm²，氢生成速率达12.1 µmol/(h·cm²)。

尤为突出的是，该系统在双光伏电池串联时，功率输出较传统系统提升18.8倍。通过光谱分束，光伏电池的电流密度与光电极实现最优匹配，交点电压接近光伏最大功率点，能量转化效率最大化。

技术前景：推动绿氢规模化应用

该研究不仅验证了光谱分束技术的可行性，还为未来系统优化指明了方向：

• 材料创新：开发宽光谱响应的光电极（如钙钛矿材料），进一步提升紫外-可见光利用率；
• 工程优化：通过堆叠更多分束器和光电极，构建多波段吸收系统，目标将STH效率突破10%；
• 规模化集成：结合聚光技术，降低分束器和光伏电池的成本，推动兆瓦级制氢装置落地。

西安交通大学团队表示，该技术已进入中试阶段，预计3-5年内可实现商业化应用。据测算，若与现有光伏电站结合，每平方米混合系统日均可产氢0.3公斤，足以驱动氢燃料电池车行驶100公里。

结语：开启太阳能制氢新纪元

光谱分束混合系统的突破，标志着太阳能制氢从实验室走向工业应用的转折。正如论文通讯作者苏进展教授所言：“这项技术如同‘光能调度员’，让每一缕阳光物尽其用。”随着全球氢能产业加速发展，这项中国原创技术有望成为绿氢革命的核心引擎，为碳中和目标提供关键技术支撑。

来源: FIE能源前沿期刊