2011年科学家们就研制出了第一片可投入实用的人造树叶原型，果壳网当时也对此进行了报道。最近，有关人造树叶，科学家们又取得了一项新的进展，使得人类距离更加有效地利用太阳能又近了一步。

来自麻省理工学院（MIT）的研究人员近日表示，他们对可将太阳能转化为储备能源的人造设备（即“人造树叶”）进行了多方面的细致研究，摸清了可能限制太阳能转化效率的多项因素。在这份研究的基础上，人们就能够有根据地提升人造树叶的转化效率，最终打造出可用的、价格低廉的、有商业价值的人造树叶产品。

所谓“人造树叶”并非将光能转化为电能输送走的太阳能电池板，它的能源输出是氢气等可通过物理方式进行储备的物质。等到需要时，人们可以通过燃烧等方式将能源转化为电力的形式以供使用。

这份研究论文被发表在本周的《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上，作者为麻省理工学院机械工程副教授托尼奥·伯纳斯西斯（Tonio Buonassisi）、哈佛大学教授丹尼尔·诺赛拉（Daniel Nocera）等，此研究是他们在2011年一项相关研究的后续部分，当时他们制造了一个人造树叶设备，将其置于水中并接受光照，该设备会吐出氢气与氧气气泡，如下面这个视频所示。

这种人造树叶的原理很简单，一块普通的硅太阳能电池就可以将光能转化为电能，然后在催化剂与电流的共同作用下，与设备接触的水分子会被电解为氢气与氧气。研究人员们希望，这种设备能够通过廉价的大众材料制造出来，最终帮助发展中国家地区的民众用上便宜方便的电。

研究人员卡桑德拉·考克斯（Casandra Cox）指出：“我们研究结果的意义重大之处在于，它涉及的全是人类已有的科技，但我们需要将这些技术整合应用。我们指出了应用中可能出现的各种挑战，后来者可以分离变量，然后一项一项攻破。”马克·温克勒（Mark Winkler）补充道：“这是个卓越的分析，为人们规划了该怎样用目前的技术做出最好的产品。”

2011款的人造树叶存在转化效率低下的大问题：其光能转化率不足4.7%。根据这份研究结果，人们应该能够将此数值提高到16%或更多，而且需要晶体硅一类的现成材料即可。

温克勒表示，传统思维认为，硅太阳能电池无法高效地完成电解水的工作，但事实并非如此。“我们对自己的发现很吃惊，看来大家都不该盲信传统思维。”

提高人造树叶转化功率的关键在于选用正确的太阳能电池和催化剂，而这样一份深入的研究将为配对工作提供大量的帮助。有了上述研究结果，科研人员可以对人造树叶的每个组件进行独立研究，之后再将其整合起来。

以电压为例，伯纳斯西斯表示，正常硅太阳能电池产生的电压为0.7伏，但电离水的理想电压为1.2伏以上，所以人们可以选择将多个电池串联。这样虽然会造成一定的损耗，但却能提高整体的转化效率。再比如，伯纳斯西斯指出，电子在运动过程中遭遇的电阻也影响了人造树叶的转化效率，一个比较好的解决方法是，减少电子在水中位移的距离。

“在我们的模型中，关于影响转化效率的因素，我们有一整个框架的内容。” 伯纳斯西斯透露，使用硅太阳能电池的最大转化效率为16%，而被人们认为是更好替代品的砷化镓电池（gallium arsenide cells）最大转化效率可达18%。他们提出了模型和理论值，就是为了激发后来者去发挥聪明才智，从而达到这个目标。“有了理论的基石，人们才能拥有向着完美值前进的动力与勇气。”

不过伯纳斯西斯也指出，理论毕竟是理论，还需要实践的检验。此前有许多关于太阳能电池转化效率的“理论最高值”已经被现实所超越。“我们不一定总是正确，但这类研究能够为将来的发展指路，还能为研究人员设置一些导向目标。”

文章编译自： MIT MIT researchers develop solar-to-fuel roadmap for crystalline silicon

作者：David L. Chandler