Discovery使可再生燃料生产更接近现实

硅是电子时代的元素。从微小的微芯片到庞大的液晶电视屏幕，半导体非金属在定义现代生活的设备中起着核心作用。

但硅的用途远远超出计算和消费电子产品。它适用于各种工业和技术应用，包括太阳能技术。黑色硅是一种吸收99%光线的变体，可制造出功能强大的太阳能电池板。

现在，由材料科学与工程教授王旭东和研究生Yanhao Yu领导的威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员和他们在北京科技大学的合作者，岳章教授和郑章教授正在报道纳米技术的突破，帮助为清洁燃料生产中的黑色硅动力革命奠定基础。

承诺和挑战在于黑硅的特殊纳米结构。典型的硅具有相对光滑的纳米结构。同时，黑硅的纳米结构非常粗糙。这种粗糙的纹理使得入射光反射回硅中而不是像典型的硅那样反射出来。

光吸收质量使得黑硅成为太阳能电池板的有吸引力的材料，太阳能电池板需要尽可能多地吸收光的太阳能，以最大限度地提高效率。该技术发展良好，还有其他方法可以使黑硅的光吸收特性变得有用。

如果研究人员能够弄清楚如何克服黑硅粗糙纳米结构造成的关键障碍，那就是这样。

王的研究主要集中在这个障碍上。他希望将黑硅用作太阳能发电机等化学能源，如氢燃料。这个想法是，黑色硅的功率源于其高效的太阳能吸收，可用于分解水分子，并通过光电化学过程产生氢燃料。这将代表现有氢燃料生产方法的有效，可再生和清洁的替代方案。

有一个问题：黑色硅的表面虽然具有光吸收特性，但由于质地粗糙，因此非常不稳定且具有反应性。

这种反应性表面在氢燃料生产的背景下尤其成问题，因为通过分裂氢和氧原子产生氢燃料的最佳液体实际上不是纯水。相反，电解质溶液如氢氧化钠比水更具导电性，在将太阳能转化为氢燃料的光电化学过程中效率更高。

但氢氧化钠具有很强的腐蚀性。当黑色硅与溶液接触时 - 因为必须主动产生氢燃料的光电化学过程 - 其反应表面会迅速腐蚀并变得无用。

为了解决这个问题，Wang的团队试图为黑硅的粗糙和反应性表面提供保护涂层。涂层需要足够厚以防止电解质与黑硅接触，但足够薄以使硅吸收阳光。为了实现这一目标，Wang使用了一种称为原子层沉积的技术，该技术将表面暴露于气态前体，从而形成无针孔且非常均匀的薄膜。在这种情况下，王在黑硅表面沉积了一层10纳米厚的二氧化钛。结果非常有希望。

二氧化钛不仅提供保护涂层，防止腐蚀性电解质与硅反应，它很薄，不会影响光吸收。Wang表示，它还可以通过减少黑硅表面缺陷来提高整个能量转换过程的效率。

“这一发展确实展示了这项技术的可行性，”王说。“这是一个非常活跃的研究领域的基础研究，我认为可以带来重大的研究机会。”

Wang团队的下一步是弄清楚如何最大限度地延长薄保护涂层的使用寿命。目前，涂层的使用寿命不长，不足以使该技术具有商业可行性。但王说，自从他们首次成功展示其可行性以来，他的团队已经大大改善了其生命周期。如果它们能够延长其使用寿命，可能很快就会有一天能够负担得起的太阳能氢燃料供应，这将代表一种特别清洁和可再生的燃料供应。