新光电化学系统∶高效兼低成本地转化太阳能为氢
氢气因产能过程零排放而成为未来环保燃料的宠儿，利用太阳能有效地产氢的光电化学近年因而成为科研界的热门课题。香港城市大学（香港城大）的研究人员便成功研发出新的光电化学系统，可将转化效率由一般的3%大幅提升至近9%，而且稳定性最长超过150小时，是同类系统的最高纪录，成本亦大减一半。
利用太阳能结合半导体材料作为催化剂，进行被喻为人工光合作用的光电化学反应，是将水分解为氧气及氢气，环保地制氢的方法之一。不过碍于技术所限，太阳能转化氢气的效率一般甚低，加上性能不稳定和成本昂贵，使光电化学系统未能普及应用。
传统光电化学系统半导体易被腐蚀
本身是光电工程学专家的香港城大材料科学及工程学系教授何志浩教授指出，在众多用作水分解的光电化学物料中，三五族半导体（III-V semiconductors）最受注目，特别是InGaP（磷化铟镓）和GaAs（砷化镓）。因为这两种化合物具有极佳的光物理特性，但缺点是性能不稳定。他说：“三五族半导体在水分解的过程中，无可避免会出现化学反应而被腐蚀，因而令系统急速失效。”
何教授表示，目前差不多所有用硅与三五族半导体的光电化学系统，都沿用传统的单面元件结构，即是将所有主要的元件包括光吸收层、表面保护层及催化剂集合在光电化学装置的其中一面，而背面则多用作电路连接，但问题因而衍生。他解释，由于表面保护层及催化剂都在光吸收层之上，两者造成的光反射明显阻碍光的吸收，并在水分解过程中导致光电流的下降，而且部分光子亦会在经过GaAs基板时流失。
重组光吸收层及催化剂层的位置
针对以上现有光电化学系统不足之处，何教授与研究团队花了超过3年时间，设计出一个新系统，既化解表面保护层及催化剂阻碍光吸收的矛盾，同时降低成本和提高系统稳定性，兼大幅提升太阳能转化氢气的效率。
有关研究成果早前在科学期刊《自然通讯》上发表，题为《An efficient and stable photoelectrochemical system with 9% solar-to-hydrogen conversion efficiency via InGaP/GaAs double junction》。
设计的创新之处在于重组光吸收层、催化剂及保护层的位置，把本来置于最表面的催化剂层，置于新系统的最底，可以反射任何未被吸收的长波长光子，增加了装置对长波长光子的吸收。新设计亦特别加入抗反射层，降低表面反射，提高光利用率。
研究结果显示，在碱性电解液中运用新研发的光电化学系统，可将太阳能制氢的效率由一般的3%大幅提升至约9%，而且稳定性创下同类系统的最高纪录：最长超过150小时。相反，大多同类系统的半导体装置会在几分钟内失效，较长的都只能维持几个小时而已。
剥离外延层以重用昂贵基板
另一方面，用以生长出半导体薄膜的GaAs基板十分昂贵，一般佔系统成本的76%。研究团队便採用外延层剥离（Epitaxial Lift-Off, ELO）技术解决高成本问题。外延（epitaxy）是一种制造半导体薄膜的技术，在原有晶片（基板）上生长出结晶以制成新的半导体层。例如利用GaAs基板，就可以生长出用以吸光的III-V族半导体外延层。
为解决GaAs基板昂贵的高成本问题，团队利用ELO技术将半导体层由GaAs基板剥离之后，再转移到镍（Ni）基板上进行光电化学反应，将水分解成氧气和氢气。而原有的GaAs基板则可以重用，再生长出新的半导体外延层，继而剥离并转移。
何教授说：“使用ELO技术理论上可以转移剥离层至任何表面，而且透过重用GaAs基板，可令成本降低超过五成。”他指出，使用ELO技术的好处还包括令表面保护层材料的选择多样化（可用金属、金属氧化物等）、选取电催化材料时无需再顾虑会否阻光，以及可以达到最大程度的光子吸收。
由于运用剥离的技术可以充分运用装置的正面及背面，研究团队更成功制作出首个有近6%转化效率的"人工叶"系统，即无需使用额外的能源已经可以分解水成为氧气和氢气。何教授说："只要有适当的产氢跟产氧电催化剂，新系统理论上转化效率能达到16%，高于美国能源部就光电化学技术所要求、可商业化的10%效率。"
研究团队亦监测了新系统分解水的情况，发现氢和氧产生的速率保持稳定，证明半导体层没有被腐蚀。团队甚至发现，用ELO技术剥离出来的半导体薄膜可以弯曲至直径2毫米，仍无损其水分解功能，未来或可用于柔性电子产品中。
研究人员测试新的「人工叶」系统的效能，证明分解水为氢和氧的效率将近6%。
何教授是论文的通讯作者。而论文的共同第一作者是现为荷兰基础能源研究所博士後研究员的Purushothaman Varadhan博士，和现为威斯康辛大学麦迪逊分校博士後研究员的傅惠君博士。何教授表示，团队正在香港城大内建造较大型及可实际使用的系统原型，研究大量生产的可行性。团队正於美国及中国申请将技术注册为专利。
这项研究得到阿卜杜拉国王科技大学的支持。
DOI number: 10.1038/s41467-019-12977-x
本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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