光電協進會 林穎毅
以氫作為動力的燃料電池已發展數十年而未見成功商品化，其中一個主要的原因是電解水耗費了許多能量，使其製取效率僅有75~85%。耗電費用佔了製氫成本八成左右，與其他能源相比，競爭力並不高。所以利用太陽能直接將水分子分解為氫氣與氧氣便是乾淨能源的一種夢幻組合，但其效率仍太低，以往即便搭配觸媒，其外部量子效率(external quantum efficiency)都仍低於50％。如何巧妙地利用太陽光電與催化劑將水分解，即藉由光催化(photocatalysis)，是實現太陽能產氫的一種有潛力的方法。現今研究的發展方向是設計更好的光觸媒，和高效率的太陽能電池以便讓每一個吸收到的光子都可以用來製造氫。
最近《Nature》雜誌刊登了日本信州大學Tsuyoshi Takata等人利用摻鋁氧化鈦酸鍶(SrTiO3:Al)作為光觸媒，以及利用銠元素與氧化鈷作為助催化劑，在波長350~360奈米紫外光之下，水分解的總外部量子效率高達96％！首先，在這裡面為了善用太陽能，必須擴大入射光的波長範圍，並且需要設計適當能隙的半導體。其次是選擇幾種適當的光觸媒，讓氫與氧分別在不同觸媒晶體面上進行釋出反應。這樣就可以進行多次連續的正向電荷轉移，而沒有逆向電荷轉移，從而提升了整體水分解的量子效率，並有效阻止氫氧再重組反應。日本信州大學Takata教授研究團隊藉由紫外光與幾種不同的光觸媒，證明了在不發生電荷重組損失的情況下進行水分解的可行性。
光電協進會也指出，氫燃料電池與太陽能、風能等其他綠能的定位不同，氫氣可視為一種乾淨的能源存儲，氫燃燒釋放出能量之後便化成水，是目前大型儲能的較佳方案。其他儲能方法，包括鋰電池、水庫水位等，仍有效率低、成本高、規模難坐大等問題。而如果我們能提高水分解效率，降低能量轉換的損失與成本，並降低氫氣爆炸的風險，那麼氫燃料電池會是頗為理想的儲能方案。難怪日本等國家策略性的堅持著氫燃料電池項目，並利用光與各種觸媒，從量子科學的角度，持續開發水分解技術。