户外运行条件下光伏水电解实现31.3%太阳能转氢效率

将阳光转化为清洁燃料

氢气常被誉为未来的清洁燃料，但以气候友好的方式制造氢气仍是一大难题。这项研究描述了一种紧凑装置，利用聚光阳光高效地将水分解为氢气和氧气，并且在户外真实工况下表现出异常高的效率。对于想了解如何在夜间储存太阳能、跨季节转移能量或在无需化石燃料的情况下为重工业供能的读者来说，这项工作展示了一条切实可行的前进路径。

为什么来自阳光的氢气很重要

太阳能和风能价格低廉且清洁，但它们并不总是在我们需要时可用。氢气可以像一种灵活的能量电池：它能长期储存、远距离运输，并可在需要时再转回电力、热能或作为化学原料使用。问题在于，目前大多数氢气来自天然气，这会排放大量二氧化碳。用可再生电力分解水则可以避免这些排放，但典型系统会浪费大量入射太阳能。把效率大幅提升到15%之上被视为让太阳能制氢在大规模上具备经济性的关键一步。

紧凑型阳光制氢装置

研究团队构建了名为HyCon的原型模块，将两项成熟技术紧密耦合：高性能太阳能电池与聚合物电解质膜（PEM）水电解槽。四个小型菲涅尔透镜的阵列将直射阳光约200倍聚光到安装在铜板上的四个先进“四色结”太阳能电池上。这些电池堆叠了多个吸光层，能收集太阳光的宽谱颜色并产生超过4伏的电压。在同一铜板的背面，两个PEM电解单元与太阳能电池直接串联连接。当聚光照射到太阳能电池时，它们无需中间电力电子设备就直接驱动电解槽，将去离子水分解为分离的氢气和氧气流。

设计如何榨取高效率

要实现高转化效率，太阳能电池与电解槽必须在电输出与水分解需求匹配的最佳点运行。团队精心选择将四个太阳能电池并联、两个电解单元串联，以使它们的电流—电压曲线在太阳能电池最大功率点略下方相交。他们还表征了现实因素（例如日照强度和水温变化）如何在白天移动该工作点。较高的水温会降低电解所需电压，因此研究人员将入口水预热到约60摄氏度，并将模块设计为在未来版本中利用太阳能电池的废热维持电解槽温度。这一策略有助于系统在阳光和天气变化时仍保持高效率。

野外创纪录的户外性能

HyCon模块在德国弗莱堡的双轴太阳跟踪器上进行了为期13个夏日的测试，跟踪器保持透镜始终直瞄太阳。在强直射阳光下，该装置将高达31.3%的入射太阳能转化为储存在氢气中的化学能（按氢气高位发热值计）。在这一峰值时，太阳能电池阵列的效率约为35%，电解堆效率略高于91%。在整个晴朗日内，模块平均效率接近29%，并在每平方米透镜面积上产生超过60克氢气，且未出现可测量的性能退化。与其他太阳能驱动的电解系统相比，聚光多结太阳能电池与直接耦合PEM电解槽的组合在真实户外条件下实现了报道中最高的效率。

这对未来绿色能源的意义

研究表明，直接将多层聚光太阳能电池耦合到紧凑的PEM电解槽，可构成高效的太阳能制氢基础单元，特别适合阳光充足、干旱且直射光资源丰富的地区。由于HyCon方法避免了额外的电力电子设备、合理利用了光与热并可通过重复模块进行规模化，它有望将绿色氢气的成本降至与化石基氢气竞争的水平。尽管在热管理、太阳能电池设计与大规模部署方面仍需改进，但这项工作表明，在户外真实环境中以极高效率将阳光转为可储存的清洁燃料并非实验室里的奇迹，而是切实可行的选项。

引用: Martínez, J.F., Ohlmann, J., Smolinka, T. et al. Photovoltaic water electrolysis reaching 31.3% solar-to-H₂ conversion efficiency under outdoor operating conditions. Commun Eng 5, 78 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00610-x

关键词: 太阳能制氢, 水电解, 聚光光伏, 可再生能源存储, 绿色氢气