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集光伏储能制氢于一身的五边形战士——光电化学电池

发布时间：

2026-03-08 00:00

集光伏储能制氢于一身的五边形战士——光电化学电池

将具有光伏效应的半导体材料浸入溶液，受到阳光照射后，光生载流子在半导体表面与溶液发生氧化还原反应，从而实现发电、光催化、储能，制氢或CO₂还原等功能。这类装置被称为光电化学电池，简称PEC cell或PEC。

图：Strandwitz et. al.上图为一种光电化学电池（PEC）的原理示意图。该装置以n型硅作为光阳极，将其浸入水溶液后，n型硅内部靠近表面的区域会形成耗尽层与空间电场。当光阳极受阳光照射时，会吸收光子能量，使价带电子被激发至导带，形成自由电子与空穴。在空间电场的作用下，光生空穴会向光阳极表面移动，并在光阳极表面将溶液中的A⁻氧化为A；与此同时，电子则向远离光阳极表面的方向移动，形成流经外电路的电流，最终在对电极（阴极）表面将B还原为B⁻。

在PEC的实际应用中，通过合理选取半导体材料与电解质溶液，可实现多种功能，例如：

若溶液中仅存在一种氧化还原对（A=B，A-=B-），则阳极与阴极的反应形成闭环。此时PEC装置的溶液体系组分不变，装置可对外持续输出电流，属于典型的光伏装置。这类PEC被称为电化学光伏电池或再生型PEC，染料敏化太阳能电池便是典型例子。

用染料敏化光伏组件制成的彩色幕墙，图：EPFL/Alain Herzog

如果A≠B，则反应会持续消耗溶液中的A⁻与B，同时生成A与B⁻，使溶液组分发生变化。以PEC电解水制氢为例：光生空穴在阳极与水发生反应，生成氧气（O₂）和氢离子（H⁺）；H⁺在阴极得到电子后还原为氢气（H₂）。与常规电解水制氢技术相比，PEC装置无需额外外部电源，可同时完成 “光伏发电” 与 “电解水制氢”，集成度更高，应用潜力显著。

一种用于制氢的PEC级联电池，其阳极和阴极都具有吸收光子生成电子空穴对的能力。图：EPFL。

除制氢外，PEC还可通过阴极的还原反应将二氧化碳（CO₂）转化为甲烷、甲醇、甲酸盐、一氧化碳（CO）等产物。这些产物既能作为燃料直接使用，也可作为工业生产的原料，从而实现 “碳捕获” 与 “能源/原料生产” 的一体化，为碳中和提供技术路径。我们熟知的植物光合作用，本质上也属于这类反应——每个叶绿素分子就像一个微型PEC，能利用阳光能量将水和CO₂合成葡萄糖，完成光能到化学能的储存。

植物的光合作用也是一种光电化学反应，图：郑直

此外，若采用二氧化钛等光催化材料作为PEC的光阳极，在电极发生氧化还原反应时，将生成羟基自由基、过氧化氢等强氧化剂。这类PEC装置可用于水体净化，高效降解水中的细菌、病毒及有机污染物，为水质处理提供绿色解决方案。

PEC还可作为液流电池，将吸收的光能直接转化为化学能储存。例如用晶体硅作为光阳极，用Cu²⁺/Cu⁺和Fe(CN)₆⁴-/Fe(CN)₆³-作为氧化还原对的PEC液流电池，在实验中实现了9.4%的光-化学转换效率。

图： Dowon Bae et. al., Commun Mater 1, 17 (2020)

与传统装置相比，PEC装置在结构简易度、成本及设计灵活性方面上具备一定优势，主要挑战来自于提升转换效率和长期稳定性。