原位操作洞察钙钛矿基太阳能分解水器件的稳定性

将阳光与水转化为清洁燃料

想象只用阳光和水，就能制造出清洁的氢燃料，装置薄如现代太阳能电池板且外观优雅。本文探讨了一种在实际工作条件下显著延长此类器件寿命的新方法：通过巧妙利用不可见的近红外（NIR）光温和加热微小催化剂，而不损伤吸光材料。该工作解决了实现廉价太阳能制氢的一大障碍：如何在水中保持高效率钙钛矿器件数百小时的稳定性。

为什么钙钛矿让能源研究者兴奋

钙钛矿是一类晶体材料，对阳光的吸收极佳且电荷传输效率高。在短短十多年里，它们在太阳能电池领域已与传统硅材料竞争，如今正被改造用于将水分解为氢气和氧气。这类基于钙钛矿的系统已达到商业化的重要门槛——将超过10%的入射太阳能转化为储存在氢气中的化学能。然而，与传统太阳能电池不同，这些器件还必须在液体中驱动相对缓慢的电化学反应。时间尺度的不匹配——电荷生成快速而在催化剂上利用较慢——会导致电荷在器件内积聚，触发逐步破坏器件的化学变化。

带局部加热的聪明结构

作者设计了一种置于水中但通过导电环氧和金属触点防潮密封的钙钛矿“光阴极”。位于吸光层物理分隔处的是一层铂/碳催化剂，它直接接触水并产生氢气。关键在于，这个催化剂可以被一束近红外激光选择性加热，该光束可以无害地穿过水和玻璃。由于环氧是良好的热绝缘体，催化剂升温而钙钛矿层保持较凉并受到保护。在标准阳光下，器件已能输出很高的光电流；当加入NIR光后，电流和工作电压均有所提高，钙钛矿在310小时内保留了超过90%的初始性能——远超过未采用该方法的类似系统。

升温催化剂如何安抚器件

通过对器件运行时的观测，团队表明，温和加热的催化剂加速了其表面的析氢反应。更快的反应速率意味着光生电子被更迅速消耗，因此在钙钛矿堆栈内积累的电荷更少。对电流和电压波动的高级测量显示，借助NIR加热，电子和空穴的复合减少，且在多层结构中传输更为清晰。长期运行中，未加热的器件中钙钛矿出现更多缺陷，显示离子迁移的迹象——尤其是碘向空穴传输层迁移——并积累化学损伤。相比之下，NIR辅助的器件产生的新陷阱更少、离子迁移迹象较弱且结构退化明显减少，表明稳定且快速的电荷抽取是保护材料的关键。

控制气泡与催化剂的稳定性

在催化剂表面形成的氢气气泡也会通过阻塞活性位点并对催化剂颗粒施加机械应力而使系统不稳定。高速视频显示，未加热时，较大的气泡在催化剂表面生长并停留较久后才脱落，这增加了铂颗粒被拉脱的概率。而当催化剂被温和加热时，气泡形成并更快脱落，且尺寸更小。模拟表明，水中微小的温度梯度会引发局部流动，帮助以一种内建的微搅拌方式将气泡扫开。这种行为减少了电流波动并减缓了催化剂的机械退化，从而补充了反应动力学加速带来的电子学益处。

走向实用的太阳能制氢器件

最后，研究者将改进后的钙钛矿阴极与产生氧气的钙钛矿阳极结合，布置成并排共享光照的配置。在不施加外加电压的情况下，完整系统实现了约15%的太阳能转氢效率，并在115小时内保持了70%的初始输出。对非专业读者来说，结论是：将温度进行精细控制——重点加热催化剂而非脆弱的吸光层——能显著延长高效率太阳能分解水器件的寿命。这项工作指向了一个前景：紧凑的钙钛矿基“人工叶片”可以可靠且廉价地生成清洁氢燃料，有助于为难以直接电气化的领域减少碳排放。

引用: Jeong, CS., Jeong, W., Yun, J. et al. Operando insights into stability of perovskite-based solar water splitting devices. Nat Commun 17, 1638 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68357-9

关键词: 太阳能分解水, 钙钛矿, 氢燃料, 光催化, 可再生能源