新光電化學系統︰高效兼低成本地轉化太陽能為氫
氫氣因產能過程零排放而成為未來環保燃料的寵兒，利用太陽能有效地產氫的光電化學近年因而成為科研界的熱門課題。香港城市大學（香港城大）與阿卜杜拉國王科技大學的研究人員便成功研發出新的光電化學系統，可將轉化效率由一般的3%大幅提升至近9%，而且穩定性最長超過 150 小時，是同類系統的最高紀錄，成本亦大減一半。
利用太陽能結合半導體材料作為催化劑，進行被喻為人工光合作用的光電化學反應，是將水分解為氧氣及氫氣，環保地製氫的方法之一。不過礙於技術所限，太陽能轉化氫氣的效率一般甚低，加上性能不穩定和成本昂貴，使光電化學系統未能普及應用。
傳統光電化學系統半導體易被腐蝕
本身是光電工程學專家的香港城大材料科學及工程學系教授何志浩教授指出，在眾多用作水分解的光電化學物料中，三五族半導體（III-V semiconductors）最受注目，特別是InGaP（磷化銦鎵）和GaAs（砷化鎵）。因為這兩種化合物具有極佳的光物理特性，但缺點是性能不穩定。他說：「三五族半導體在水分解的過程中，無可避免會出現化學反應而被腐蝕，因而令系統急速失效。」
何教授表示，目前差不多所有用矽與三五族半導體的光電化學系統，都沿用傳統的單面元件結構，即是將所有主要的元件包括光吸收層、表面保護層及催化劑集合在光電化學裝置的其中一面，而背面則多用作電路連接，但問題因而衍生。他解釋，由於表面保護層及催化劑都在光吸收層之上，兩者造成的光反射明顯阻礙光的吸收，並在水分解過程中導致光電流的下降，而且部分光子亦會在經過GaAs基板時流失。
重組光吸收層及催化劑層的位置
針對以上現有光電化學系統不足之處，何教授與研究團隊花了超過3年時間，設計出一個新系統，既化解表面保護層及催化劑阻礙光吸收的矛盾，同時降低成本和提高系統穩定性，兼大幅提升太陽能轉化氫氣的效率。
有關研究成果早前在科學期刊《自然通訊》上發表，題為《An efficient and stable photoelectrochemical system with 9% solar-to-hydrogen conversion efficiency via InGaP/GaAs double junction》。
設計的創新之處在於重組光吸收層、催化劑及保護層的位置，把本來置於最表面的催化劑層，置於新系統的最底，可以反射任何未被吸收的長波長光子，增加了裝置對長波長光子的吸收。新設計亦特別加入抗反射層，降低表面反射，提高光利用率。
研究結果顯示，在鹼性電解液中運用新研發的光電化學系統，可將太陽能製氫的效率由一般的3%大幅提升至約9%，而且穩定性創下同類系統的最高紀錄：最長超過150 小時。相反，大多同類系統的半導體裝置會在幾分鐘內失效，較長的都只能維持幾個小時而已。
剝離外延層以重用昂貴基板
另一方面，用以生長出半導體薄膜的GaAs 基板十分昂貴，一般佔系統成本的76%。研究團隊便採用外延層剝離（Epitaxial Lift-Off, ELO）技術解決高成本問題。外延（epitaxy）是一種製造半導體薄膜的技術，在原有晶片（基板）上生長出結晶以製成新的半導體層。例如利用GaAs基板，就可以生長出用以吸光的 III-V族半導體外延層。
為解決GaAs基板昂貴的高成本問題，團隊利用ELO技術將半導體層由GaAs基板剝離之後，再轉移到鎳（Ni）基板上進行光電化學反應，將水分解成氧氣和氫氣。而原有的GaAs基板上則可以重用，再生長出新的半導體外延層，繼而剝離並轉移。
何教授說：「使用ELO技術理論上可以轉移剝離層至任何表面，而且透過重用GaAs基板，可令成本降低超過五成。」他指出，使用ELO技術的好處還包括令表面保護層材料的選擇多樣化（可用金屬、金屬氧化物等）、選取電催化材料時無需再顧慮會否阻光，以及可以達到最大程度的光子吸收。
由於運用剝離的技術可以充分運用裝置的正面及背面，研究團隊更成功製作出首個有近6% 轉化效率的「人工葉」系統，即無需使用額外的能源已經可以分解水成為氧氣和氫氣。何教授說：「只要有適當的產氫跟產氧電催化劑，新系統理論上轉化效率能達到 16%，高於美國能源部就光電化學技術所要求、可商業化的10% 效率。」
研究團隊亦監測了新系統分解水的情況，發現氫和氧產生的速率保持穩定，證明半導體層沒有被腐蝕。團隊甚至發現，用ELO 技術剝離出來的半導體薄膜可以彎曲至半徑2毫米，仍無損其水分解功能，未來或可用於柔性電子產品中。
研究人員測試新的「人工葉」系統的效能，證明分解水為氫和氧的效率將近6%。
何教授是論文的通訊作者。而論文的共同第一作者是現為荷蘭基礎能源研究所博士後研究員的Purushothaman Varadhan博士，和現為威斯康辛大學麥迪遜分校博士後研究員的傅惠君博士。何教授表示，團隊正在香港城大內建造較大型及可實際使用的系統原型，研究大量生產的可行性。團隊正於美國及中國申請將技術註冊為專利。
這項研究得到阿卜杜拉國王科技大學的支持。
DOI number: 10.1038/s41467-019-12977-x