通过模仿自然光合作用的关键步骤，美国密歇根大学最近开发了一种新型太阳能电池板，在将水转化为氢和氧方面达到了9%的效率。这代表了技术上的重大飞跃，并比同类太阳能解水制氢设备效率高出近10倍。

几十年来，世界各地的研究人员一直在寻找利用太阳能来生产清洁能源氢的方法，即分解水分子形成氢和氧的方法。然而，这些努力大多以失败告终，因为成本太高，而试图以低成本完成的工艺往往又效果不佳。

但研究人员称，这款全新装置最大的好处是降低了可持续氢的成本。这是通过缩小半导体来实现的，半导体通常是设备中最昂贵的部分。该团队的自修复半导体器件可以承受相当于160个太阳的强光。研究成果已于近期发表在了《自然》杂志上。

“最终，我们相信人工光合作用设备将比自然光合作用更有效，这将为实现碳中和提供一条途径，”密歇根大学电气和计算机工程教授Zetian Mi说。

据研究人员介绍称，这一突出成果来自两个方面的进展。第一个是在不破坏半导体器件的情况下，承受高强光的照射。

“与一些只在低光强度下工作的半导体相比，我们将半导体的尺寸减小了100多倍，”密歇根大学电气和计算机工程研究员、该研究的第一作者Peng Zhou说。，“用我们的技术生产氢气可能会非常便宜。”

第二个是新装置能利用太阳光谱中能量较高的部分来分解水，同时利用光谱中能量较低的部分来提供热量来促进反应。这种“魔力”是由一种半导体催化剂实现的，这种催化剂在利用阳光驱动化学反应时，会随着使用而自我修复，减轻催化剂通常会经历的退化反应。

具体而言，这种催化剂由氮化铟镓纳米结构制成，生长在硅表面。半导体晶片捕获光线，将其转化为自由电子和空穴。纳米结构中布满了直径为1/2000毫米的纳米级金属球，利用这些电子和空穴来帮助引导反应。

面板上有一层简单的绝缘层，将温度保持在75摄氏度的舒适温度，温度足以促进分解反应，同时这个温度也能使半导体催化剂发挥良好作用。在室外版本的实验（阳光和温度难以把控）中，将太阳能转化为氢燃料的效率达到了6.1%。而在室内，该系统的效率达到了9%的效率。

值得一提的是，研究人员指出，除了处理高光强度外，它还可以在通常对半导体不利的高温下更好地工作。高温加速了水的分解过程，额外的热量也促使氢和氧保持分离，而不是重新结合并再次形成水。这两种方法都帮助研究小组收获了更多的氢气。

未来，该团队打算解决的下一个挑战是进一步提高效率，并实现可以直接输入燃料电池的超高纯度氢。

编辑/范辉