为了使“人造叶子”的概念更接近现实，麻省理工学院的一组研究人员发表了对可能限制该系统效率的所有因素的详细分析。这项新的分析为提高这些系统的效率的研究计划制定了路线图，并可能很快导致生产出实用，廉价且具有商业可行性的原型。

这样的系统将利用阳光来产生可储存的燃料，例如氢气，而不是立即使用的电能。然后可以根据需要使用这种燃料，以通过燃料电池或其他设备发电。此过程将释放太阳不发光时使用的太阳能，并开拓许多潜在的新应用。

机械工程学副教授Tonio Buonassisi，前MIT教授Daniel Nocera（现为哈佛大学），MIT博士后Mark Winkler（现为IBM）本周在美国国家科学院院刊上的一篇论文中对新工作进行了描述。 ）和前麻省理工学院研究生Casandra Cox（现在在哈佛大学）。它跟进了2011年的研究，该研究产生了人造叶的“概念验证”，这是一种小型装置，当将其放在盛满水的容器中并暴露在阳光下时，会产生氢气和氧气的气泡。

该设备结合了两种技术：将太阳光转换成电能的标准硅太阳能电池，以及应用于电池两面的化学催化剂。这些将共同构成一个电化学装置，该装置使用电流从周围的水分子中分裂出氢原子和氧原子。

目标是生产一种廉价，独立的系统，该系统可以使用丰富的材料构建。诺塞拉（Nocera）长期以来一直提倡使用这种设备，作为将电能带给数十亿人口的一种手段，这些人口大多数是发展中国家的人，他们现在很少或根本没有电。

Cox说：“重要的是，本文确实描述了所有已知的技术，以及如果将所有技术放在一起会带来什么期望。”“它指出了所有挑战，然后您可以通过实验分别解决每个挑战。”

Winkler补充说，这是“一个相当强大的分析，着眼于采用市场就绪技术可以做到的最好。”

Buonassisi说，2011年最初的示范叶片效率低下，将不到4.7％的阳光转化为燃料。但是该小组的最新分析表明，使用单能隙半导体（例如晶体硅）现在应该可以达到16％或更高的效率。

“实际上，我们很惊讶，”温克勒说：传统观点认为，硅太阳能电池的特性将严重限制其分解水的有效性，但事实并非如此。他说：“有时候，您只需要质疑传统观念即可。”

获得高太阳能效率的关键是将正确的太阳能电池和催化剂结合在一起，这是一项路线图指导下的最佳配对活动。团队提出的方法允许对人工叶子的每个组成部分进行独立测试，然后进行组合。

由标准硅太阳能电池产生的约0.7伏的电压不足以为水分解反应提供动力，后者需要超过1.2伏。一种解决方案是将多个太阳能电池串联配对。Buonassisi说，虽然这会导致细胞之间的界面损失一些，但这是该研究的有希望的方向。

Buonassisi说，水的另一种低效来源是水本身（电子必须通过该路径才能完成电路），而水对电子具有抵抗力。因此，另一种提高效率的方法可能是通过减小离子必须穿过液体的距离来降低电阻。

“耐溶液性具有挑战性，” Cox说。但是，她补充说，有一些“技巧”可能有助于降低阻力，例如通过使用交错板减少反应两侧之间的距离。

Buonassisi说：“在我们的模拟中，我们有一个确定效率极限的框架”。他说，对于基于常规硅太阳能电池的系统，该限制约为16％。对于被广泛吹捧的砷化镓电池，该限量上升到18％。

Buonassisi说，确定给定系统理论极限的模型通常会导致研究人员继续追求接近那些极限的新系统。他说：“通常是从这类模型中，人们就有勇气继续前进并进行改进，”

“一些最具影响力的论文是确定性能极限的论文，” Buonassisi说。但是，他补充说，回顾太阳能电池效率极限的一些早期预测是“谦卑的”：他说，其中一些预测的“极限”已经被超越。

“我们并非总能做到正确，”布纳西西说，但这种分析“为发展奠定了路线图，并确定了一些可以解决的'杠杆'。”

与这项工作没有关系的伦敦帝国理工学院恩斯特生物化学教授詹姆斯·巴伯说：“人们普遍同意，要想出现一种有效的技术，设备的效率必须达到10％或更高。”麻省理工学院团队的工作表明，此类设备“可以提供高达15％的效率。这种能量转换水平被认为是非常实用的。”

Barber补充说，下一步，在功能正常的设备中展示这些改进至关重要：“构建一个大表面积的工作系统非常重要，就像太阳能电池测试一样，它可以在开放的野外条件下长时间使用太阳能。”他说，如果能够做到这一点，“构建坚固，高效的太阳能驱动模块，该模块可在大规模工业规模上从水中产生氢气，将对人类社会产生重大影响。”

这项工作得到了国家科学基金会，空军科学研究所，通过新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟的新加坡国家研究基金会以及Chesonis家庭基金会的支持。

本文已从麻省理工学院新闻网站重新发布，并做了一些细微的更改。