论文标题：A multi-view heterogeneous and extractive graph attention network for evidential document-level event factuality identification

期刊：Frontiers in Energy

作者：Zhong QIAN, Peifeng LI, Qiaoming ZHU, Guodong ZHOU

发表时间：10 Jun 2024

DOI：10.1007/s11704-024-3809-6

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文章简介

本文提出了一种基于光谱分频技术的新型自偏压光电化学（PEC）水分解混合系统，旨在解决传统串联光电极因透明性不足导致的光损失问题。研究团队整合了TiO₂和BiVO₄光电极、分频器（BS）和光伏（PV）电池构建新系统。实验表明，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)。研究为自偏压水分解系统提供了一种创新设计思路，未来可通过优化光电极材料与PV配置进一步提升效率。

研究背景及意义

太阳能驱动的PEC分解水是太阳能利用最有前途且最具成本效益的方法之一，在缓解碳排放和环境修复方面意义重大。但该技术存在效率低和需额外电压偏置的问题。混合系统结合PV技术与PEC可提高整体能量转换效率，光谱分频策略能进一步增强性能。目前自偏压水分解系统主要有串联PEC模型和并联排列模型，前者虽可优化光吸收，但存在光电极透明度低等问题。光谱分频在PV、热电等系统已成功应用，然而在自偏压PEC水分解系统中的研究较少。本文提出的基于光谱分频的新型自偏压混合系统，有效解决了传统系统的光谱难以有效利用的问题。通过实验研究，发现该结构能显著提高系统电流密度，提升功率输出，其氢气产率和STH效率也有大幅提升。

研究内容及结论

文章提出了一种基于光谱分频技术的新型自偏压光电化学（PV-PEC）混合水分解系统，通过分频器BS1反射300-400 nm短波长光至TiO₂光阳极，透射460-800 nm光至分频器BS2。BS2反射460-480 nm中波长光至BiVO₄光阳极，透射520-800 nm长波长光至PV电池。BS1和BS2在特定入射角（45°）下的反射率与透射率均接近100%，显著减少了光散射损失。

图 1 系统架构示意图，其中入射角为45°

通过光电性能分析，BS的引入使TiO₂和BiVO₄的光电流密度分别提升至0.35 mA/cm²和0.96mA/cm²，且 BS1-TiO₂ || BS2-BiVO₄系统的总电流密度是 BS1-TiO₂和BS2-BiVO₄系统的3.94和1.38倍。

图 2 典型三电极系统中不同BS的TiO2和BiVO4的光电流密度

使用BS的混合系统（设置3）的STH效率达1.5%，较传统串联系统（设置1和2）提升12.38倍和19.87倍。此外，由于与不透明光电电极相比，BS的光学效率更高，因此与BS耦合的系统中光电极的电流密度不会显着降低。使用两个硅电池串联时，带有BS的自偏压水分解系统的最佳电流密度可以达到1.54 mA/cm² 。实验结果表明，带有BS（设置3）的 PV-PEC 系统的功率输出分别是设置1和设置2的18.8倍和10.7倍。

图 3 三种PV-PEC系统的电流密度和效率

文章通过光谱分频实现了太阳光谱的高效分配，解决了传统串联系统的光吸收重叠和光损失问题，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

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通讯作者简介

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”。

期刊简介

Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

Frontiers in Energy已被SCIE、Ei Compendex、CAS、Scopus、INSPEC、Google Scholar、CSCD(中国科学引文数据库)、中国科技核心期刊等数据库收录。2024年海内外下载量为110余万，截至2025年03月10日，即时Impact Factor为6.0,即时CiteScore为6.8。

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