论文标题：Performance analysis of a novel unassisted photoelectrochemical water splitting hybrid system based on spectral beam splitting

期刊：Frontiers in Energy

作者：Baoyuan Wang, Suyi Yang, Tuo Zhang, Yukai Liu, Sheng Yang, Luning Li, Weiding Wang, Jinzhan Su

发表时间：15 Jun 2025

DOI：10.1007/s11708-025-0984-6

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文章导读

近日，西安交大苏进展教授团队在《Frontiers in Energy》期刊发表了题为“Performance analysis of a novel unassisted photoelectrochemical water splitting hybrid system based on spectral beam splitting”的研究论文。文章提出了一种基于光谱分频技术的新型自偏压混合系统，有效解决了传统串联光电极因透明性不足导致的光损失问题，显著提升了太阳能制氢效率。

太阳能驱动的光电化学（PEC）分解水是实现太阳能高效转化与清洁制氢的关键技术，在缓解碳排放和环境修复中具有重要意义。然而，传统技术存在效率低、需额外电压偏置等问题，串联光电极系统虽能优化光吸收，却因光电极透明度不足导致光谱利用效率受限。本研究创新性地将光谱分频策略引入自偏压PV-PEC混合系统，通过整合TiO₂和BiVO₄光电极、分频器（BS）及光伏（PV）电池，构建了高效光能量分配机制：分频器BS1将300-400 nm短波长光反射至TiO₂光阳极，透射460-800 nm光至分频器BS2；BS2进一步将460-480 nm中波长光反射至BiVO4光阳极，透射520-800 nm长波长光至PV电池。BS1和BS2在45°入射角下的反射率与透射率均接近100%，大幅减少了光散射损失。

实验结果显示，与传统串联系统相比，该系统的电流密度显著提高，且PV与PEC组件的I-V曲线交点更接近PV最大功率点，能量利用率显著优化。在性能方面，光谱分频系统的功率输出较传统结构提升18.8倍，太阳能转化氢（STH）效率分别提高12.38倍和19.87倍，产氢速率达12.1μmol/(h·cm²)。 这一突破不仅解决了传统串联系统的光吸收重叠和光损失问题，更为无辅助水分解系统提供了一种创新设计思路，推动了太阳能制氢技术的实用化发展 。未来还需进一步优化光电极材料和光伏电池的串并联配置，以提高系统整体性能，研究光谱分频器与其他能源转换组件的耦合，以实现更高效的多能联产。

文章信息

Performance analysis of a novel unassisted

photoelectrochemical water splitting hybrid system

based on spectral beam splitting

Baoyuan Wang, Suyi Yang, Tuo Zhang, Yukai Liu, Sheng Yang, Luning

Li, Weiding Wang, Jinzhan Su*

Abstract:

Photoelectrochemical (PEC) water splitting, particularly self-biased PEC systems, holds great promise for solar energy utilization. However, the limited transparency of most photoelectrodes presents challenges in fabricating tandem photoelectrodes with photovoltaic (PV) cells for self-biased water splitting. Herein, a novel self-biased hybrid system integrating photoelectrodes (TiO₂, BiVO₄), beam splitters (BSs), and PV cell was proposed to enhance solar energy utilization and PEC water splitting performance. The results indicate that the integration of BSs significantly improves the current densities of both self-biased PV-PEC systems and single PEC systems. The current density of self-biased water splitting system with BSs exceeds that of the conventional TiO₂ + BVO-PV system, and the intersection point of the I–V curves for the photoanodes and solar cell is closer to the maximum power output of the solar cell. The effective utilization of the solar spectrum by both the photoelectrode and the PV cell in the hybrid system with BSs significantly increases the power output by a factor of 18.8 compared to the conventional tandem self-biased system. The predicted results indicate that the hydrogen production rate of the system with BSs is 12.1 µmol/(h·cm²), while the STH efficiency is enhanced by a factor of 12.38 and 19.87 compared to conventional TiO₂ + BVO-PV and TiO₂/BVO-PV tandem PV-PEC systems, respectively, demonstrating the advantage of the water splitting system with spectral BSs. In conclusion, this work provides an innovative approach of achieving self-biased water splitting by coupling spectral BSs with a PV-PEC system, resulting in improved solar energy harvesting efficiency.

Keywords:

spectral beam splitter; photovoltaic-photoelectrochemical (PV-PEC); water splitting; spectrum; energy flow

Cite this article:

Baoyuan Wang, Suyi Yang, Tuo Zhang, Yukai Liu, Sheng Yang, Luning Li, Weiding Wang, Jinzhan Su. Performance analysis of a novel unassisted photoelectrochemical water splitting hybrid system based on spectral beam splitting. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-025-0984-6

Full text：

作者简介

苏进展，西安交通大学教授，博导。主要从事可再生能源转化的工程热物理过程以及能源化学与能源材料的研究。研究主要针对太阳能光解水制氢、燃料电池以及电解水过程的流动传质与电化学反应的过程优化、测量与预测。开发高效低成本的光电化学分解水制氢的光电极材料、高耐久性低贵金属含量或非贵金属电催化材料。开展基于能量与物质传递优化的太阳能光解水制氢系统与燃料电池系统的设计优化。为绿色氢能制备、氢储能以及氢电转化系统提供材料制备、器件与系统设计技术。2016年陕西省科学技术奖一等奖（排名第四），2017年国家自然科学奖二等奖（排名第四），2018年陕西省高校“青年杰出人才支持计划”，2019年西安交通大学第十六届教学成果奖特等奖（排名第四），2019年陕西省高等学校教学成果奖特等奖（排名第四），2019年西安市科技领域“西安之星”。

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