水制氢光伏研究 IV与EQE量测设备解决方案

迈向净零未来：绿色氢能技术的关键突破与挑战

全球正处于能源转型的关键时刻，为应对气候变迁、减少环境污染，寻找洁净、可再生的能源已成为刻不容缓的任务。传统化石燃料的使用不仅带来严重的环境问题，其资源的有限性也促使我们必须开发永续的替代方案。在此背景下，氢能以其高能量密度、燃烧产物仅为水、可储存、可运输等优势，被视为21世纪具潜力的清洁能源载体。然而，目前全球95%以上的氢气来自化石燃料重组，其生产过程仍伴随着大量的碳排放。因此，利用可再生能源制备的「绿色氢能」才是实现能源永续发展的理想途径。

在众多绿色制氢技术中，利用取之不尽、用之不竭的太阳能直接分解水（H₂O）产生氢气（H₂）和氧气（O₂），无疑是具吸引力的解决方案之一。太阳能水分解技术，主要包括光催化（Photocatalysis, PC）和光电化学（Photoelectrochemical, PEC），其核心优势在于直接将太阳能转化为化学能储存在氢分子中，原料仅为阳光和水，过程洁净无污染。

相较于「太阳能光伏发电+电解水」（PV-EC）的两步法，PEC技术将光吸收和电化学催化整合在单一器件中，理论上具有更简洁的系统设计、更低的能量损耗以及更有效地利用太阳光中的热能等潜在优势。特别是PEC系统，其阳极和阴极（或光阳极和光阴极）在空间上的分离，使得产生的氢气和氧气能够自动分开收集，避免了混合爆炸的风险以及逆反应的发生，这是某些分布式光催化系统面临的难题。

PEC水分解的概念最早由Fujishima和Honda在1972年提出并验证，至今已有半个世纪的研究历史。尽管科学家们在材料开发和效率提升方面取得了显著进展，例如使用III-V族半导体在实验室条件下实现了接近20%的太阳能到氢能（Solar-to-Hydrogen, STH）转换效率，但该技术距离大规模商业化应用仍面临严峻挑战。材料的稳定性、量子效率、生产成本以及器件的放大制备等问题，都是阻碍其发展的关键瓶颈。PEC技术的双重承诺——既能产生能源，又能以化学形式储存能源——使其在应对可再生能源间歇性方面具有特别的价值。然而，漫长的发展历程和至今未能克服的障碍恰恰说明了此技术的复杂性，亟需在基础材料科学和精准量测技术上取得突破。

图片来源：Opportunities and Challenges of Industrialization of Hydrogen－The Photocatalyst effect (Fujishima et al., 1972)

太阳能水分解核心原理：光子到氢分子的转化之旅

光电化学（PEC）水分解的核心是利用半导体材料吸收太阳光能，并利用光生电荷载流子驱动水的氧化还原反应，最终生成氢气和氧气。

一个典型的PEC电池主要由以下几个部分构成：至少一个半导体光电极（光阳极或光阴极，或两者皆有）、一个对电极（通常是惰性导体或另一个光电极）、传导离子的电解质溶液，以及用于分隔产物气体的隔膜（可选）。

其工作过程大致可分为以下三个关键步骤：

步骤一：光吸收(Light Absorption)

当能量大于或等于半导体材料能隙（Band Gap, E_g）的光子照射到光电极表面时，会被材料吸收。为了有效利用太阳光谱，理想的半导体材料应具有合适的能隙值。从热力学角度看，分解水所需的最小能量为1.23 eV，对应波长约为1008 nm。然而，考虑到反应动力学中的过电位（Overpotential）损耗，实际有效分解水通常需要约1.7-2.0 V的电压，这意味着单一半导体材料的能隙需要大于此值才能在无外加偏压下工作，但过大的能隙会导致对太阳光谱的可见光部分利用不足。

步骤二：电荷载流子产生与分离(Charge Carrier Generation & Separation)

光子吸收后，半导体价带（Valence Band, VB）中的电子（e⁻）被激发跃迁至导带（Conduction Band, CB），同时在价带留下一个带正电的空穴（h⁺），形成电子-空穴对。为了使这些光生载流子能够驱动水分解反应，它们必须有效分离并传输到各自的反应位点，避免发生复合。这主要依赖于半导体与电解质接触界面处形成的空间电荷层（Space Charge Layer）所产生的内建电场。对于n型半导体光阳极，界面处能带向上弯曲，内建电场将空穴驱向半导体/电解质界面，将电子驱向体相及外电路。对于p型半导体光阴极，情况则相反。

步骤三：表面电化学反应(Surface Electrochemical Reactions)

分离后的电荷载流子到达电极表面后，参与水的氧化和还原反应：

• 在光阳极(Photoanode)表面：光生空穴具有强氧化性，将水分子氧化生成氧气和质子（酸性介质）或氢氧根离子（碱性介质）。典型的反应式为（以酸性介质为例）：2H₂O + 4h⁺ → O₂ + 4H⁺ 这是析氧反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）。

• 在光阴极(Photocathode)或对电极(Counter Electrode)表面：从外电路传导过来的电子具有还原性，将水中的质子（酸性介质）或水分子（中性/碱性介质）还原生成氢气。典型的反应式为（以酸性介质为例）：2H⁺ + 2e⁻ → H₂ 这是析氢反应（Hydrogen Evolution Reaction, HER）。

图片来源：Perovskite Oxide-Based Electrodes for High-Performance Photoelectrochemical Water Splitting－PEC水分解原理

热力学与动力学要求

为了使整个水分解反应能够自发进行（即无需外加电压偏置），半导体材料的能带结构必须满足特定的热力学要求：其导带底的电位必须比HER的还原电位（E(H⁺/H₂)）更负，同时其价带顶的电位必须比OER的氧化电位（E(O₂/H₂O)）更正。

换句话说，半导体的能带边缘必须「跨过」水的氧化还原电位。然而，仅满足热力学条件是不够的。实际反应中，HER和OER都需要克服一定的活化能，即过电位，这使得实际所需电压高于1.23V。为了降低过电位、提高反应速率，通常需要在光电极表面负载助催化剂（Co-catalysts），例如贵金属（Pt用于HER）或过渡金属氧化物/硫化物（用于OER或HER）。

PEC技术的效率从根本上受限于光生载流子的产生、分离、传输和表面反应动力学之间复杂的竞争关系。光生电子-空穴对在到达反应位点之前，极易通过直接复合或通过材料缺陷/表面态辅助复合而损失掉，释放能量为热或光。不幸的是，载流子复合通常发生在纳秒（10⁻⁹s）甚至皮秒（10⁻¹²s）的时间尺度上，而表面电化学反应的速率则慢得多，往往在毫秒（10⁻³s）或更长的时间尺度。这种时间尺度上的巨大差异意味着大部分光生载流子在有机会参与反应之前就已经复合消失了。因此，提高PEC效率的核心策略之一就是通过材料设计（如纳米结构化、构建异质结）和负载高效助催化剂来加速电荷的分离、传输和表面反应速率，同时抑制复合过程。

此外，材料选择本身也存在内在的矛盾。理想的太阳能吸收材料其能隙应在1.34 eV附近以有效利用太阳光谱，但如前所述，实际水分解需要约1.7-2.0 V的电压，且要求能带位置匹配。通常，具有较小能隙、吸光能力强的材料（如Si）往往能带位置不匹配或在电解液中不稳定；而能带位置合适且较稳定的材料（如一些宽能隙氧化物TiO₂, WO₃）则对太阳光的利用率不高。这种能隙、能带位置和稳定性之间的固有权衡，迫使研究人员探索更复杂的解决方案，例如将两种或多种不同能隙的半导体堆叠起来构成叠层（Tandem）器件，以更宽的光谱范围吸收太阳光并提供足够高的电压，或者施加一定的外部偏压来辅助反应进行，但这些策略无疑增加了系统的复杂性和成本。

表1：PEC与PC水分解技术简要比较

研究前沿挑战：精准量测在突破效率、稳定性与规模化瓶颈中的核心作用

尽管PEC水分解技术潜力巨大，但其商业化之路仍面临效率、稳定性和规模化成本这三大核心挑战。要有效应对这些挑战，精准可靠的性能量测，特别是IV曲线和量子效率(QE/IPCE)分析，扮演着重要的角色。

效率(Efficiency)

太阳能到氢能转换效率(STH)是最终目标，但目前距离商业化目标仍有差距，尤其对于低成本材料体系，低量子效率(QE/IPCE)是限制STH的主要瓶颈之一，主要源于光生载流子的快速复合以及部分材料对太阳光谱利用不充分。

因此，精确测量EQE/IPCE光谱对于量化这些光子到电子的转换损失、识别限制效率的波长范围、评估材料本征光电转换能力是重要表征技术。只有通过准确的QE分析，才能客观评价各种效率提升策略（如纳米结构、叠层器件、助催化剂等）的真实效果，并指导进一步的材料与器件优化。

图片来源：A comprehensive machine learning strategy for designing high-performance photoanode catalysts-Figure 1

稳定性(Stability)

光电极在苛刻的电解液环境和光照条件下易发生腐蚀，导致性能衰减，长期稳定运行（数千小时）是巨大挑战。要评估材料的真实稳定性，必须依赖长期、连续的性能监测，其中，通过IV曲线周期性地获取光电流密度、起始电位等关键参数的变化趋势，是量化性能衰减速率、判断失效机制、评估保护层或新型稳定材料有效性的核心手段。精准的IV量测数据是区分真实稳定性提升与实验偶然性的关键依据。同时，效率与稳定性之间往往存在权衡，可靠的IV和QE数据有助于研究者在寻求最佳平衡点时做出明智决策。

图片来源：Achieving 12.0% Solar-to-Hydrogen Efficiency with a Trimetallic-Layer-Protected and Catalyzed Silicon Photoanode Coupled with an Inexpensive Silicon Solar Cell－Fig. S8.

规模化与成本(Scalability & Cost)

将实验室成果放大到工业规模面临诸多工程挑战，如大面积制备的均匀性、基底电阻、反应器设计以及高成本材料的使用等。在此过程中，对大面积样品或模块进行准确的IV和QE表征，是验证放大工艺可行性、评估性能均匀性、比较不同规模化策略优劣的基础。缺乏标准化、可信赖的大面积量测技术，将严重阻碍从实验室到工厂的转化。解决「重材料、轻工程」的脱节问题，亟需将精准量测贯穿于从材料开发到系统集成的整个链条，确保实验室的优化能够有效转化为实际应用中的性能提升。

应对PEC水分解的效率、稳定性和规模化挑战，离不开精准量测提供的「眼睛」和「标尺」。准确的IV和QE数据不仅是评价当前性能的指针，更是指引未来研究方向、验证改进效果、推动技术最终走向实用的关键驱动力。

精准计量：解锁水分解性能的关键钥匙-IV与EQE量测的重要性

在PEC水分解的研究中，准确、可靠且标准化的性能表征是评估材料潜力、指导实验方向、比较不同研究成果以及推动技术进步的基石。缺乏统一的测试标准和方法，会导致不同实验室或不同研究人员测得的结果难以比较，甚至相互矛盾，严重阻碍了该领域的健康发展。在众多表征手段中，电流-电压（IV）特性曲线和量子效率（QE）/入射光子-电子转换效率（IPCE）谱是最基本也是最重要的两种电化学和光电性能量测方法。

电流-电压(IV/JV)量测

IV曲线描述了在外加电压变化时，流过PEC电池或光电极的电流响应。

量测方法

通常在三电极体系中进行，包括待测的工作电极（WE，即光电极样品）、对电极（CE，通常为铂丝或石墨）和参考电极（REF，如Ag/AgCl或SCE），通过恒电位仪控制电压并记录电流。量测需在精确控制的光照条件下（通常使用经过校准的太阳光模拟器模拟AM1.5G光谱）和黑暗条件下分别进行。对于评估完整器件的STH效率，则采用两电极体系（光电极与对电极直接连接）进行量测。

关键参数

从IV曲线中可以提取一系列关键性能参数：

• 光电流密度(Photocurrent Density, J_ph)：光照下的电流密度与暗电流密度之差，直接反映了光电极的光电活性。

• 起始电位(Onset Potential)：光电流开始出现的电位，与水分解反应的热力学势垒和动力学过电位相关。

• 开路电压(Open-Circuit Voltage, V_oc)/光电压(Photovoltage)：零电流条件下的电压，反映了光照下半导体能带弯曲的程度和器件能产生的最大电压（主要用于PV-PEC或叠层器件）。

• 短路电流密度(Short-Circuit Current Density, J_sc)：外加偏压为零时的电流密度，是计算STH效率的重要参数（两电极体系）。

• 填充因子(Fill Factor, FF)：FF=(J_max×V_max)/(J_sc×V_oc)，描述IV曲线的「方度」，反映了器件内部串联电阻、并联电阻以及复合损失的大小。FF越高，器件质量越好。

• 能量转换效率(PCE/STH)：对于两电极体系，STH效率可由最大功率点(P_max=J_max×V_max)除以入射光功率(P_in)计算得到：STH=(J_sc×V_oc×FF)/P_in（此处V_oc指两电极体系开路电压，且需考虑产氢的法拉第效率）。

重要性

IV曲线是评估光电极或PEC器件整体性能的基础。它不仅提供了效率、光响应活性等宏观信息，还能揭示器件的工作特性、内阻、复合损耗等内部机制，为材料优化和器件设计提供关键依据。

图片来源：Activating a Semiconductor–Liquid Junction via Laser-Derived Dual Interfacial Layers for Boosted Photoelectrochemical Water Splitting－Fig 3a

量子效率(QE)/入射光子-电子转换效率(IPCE)量测

QE或IPCE量测的是在某一特定波长下，器件将入射光子转换为外部电路中收集到的电子的效率。

定义

• 外部量子效率(External Quantum Efficiency, EQE或IPCE)：定义为收集到的电子数与入射到器件表面的光子数之比：EQE(λ)=收集到的电子数/入射的光子数×100%。EQE考虑了所有光学损失（如反射、透射、非活性层吸收）。

• 内部量子效率(Internal Quantum Efficiency, IQE)：定义为收集到的电子数与被器件活性层吸收的光子数之比。IQE排除了光学损失，更能反映材料本身的光电转换能力和电荷收集效率。通常EQE=IQE×(1−R)，其中R是反射率。

量测方法

基本装置包括：宽谱光源（通常为氙灯或卤素灯）、单色仪（用于选择特定波长的单色光）、斩波器（用于调制光信号以配合锁相放大器检测）、滤光片（用于去除杂散光和高阶衍射光）、PEC测试池、以及用于精确测量入射单色光光子通量的已校准光电探测器（如硅或InGaAs探测器）。通过扫描单色仪的波长，并利用锁相放大器等高灵敏度电流检测技术记录对应的光电流，即可得到EQE随波长变化的光谱。

参数信息

• 光谱响应范围：确定材料能够有效利用的太阳光波长区间。

• 波长依赖效率：揭示器件在不同波长下的光电转换性能，找出性能瓶颈所在的波段。

• 能隙估算：可以从EQE光谱的吸收边缘（即EQE开始显著下降的位置）估算材料的光学能隙。

• 损失机制分析：通过测量反射率并计算IQE，可以区分光学损失（反射）和内部电学损失（复合、电荷收集效率低）对总效率的贡献。

• J_sc计算与验证：将测得的EQE光谱与标准太阳光谱与标准太阳光谱（如AM1.5G）进行积分，可以计算出理论上的短路电流密度J_sc(EQE)。将此值与IV量测得到的J_sc(SS)进行比较，是验证量测准确性和器件性能一致性的重要手段。

重要性

EQE/IPCE量测深入揭示了光电转换过程中的基本物理环节，包括光吸收、电荷产生、分离、传输和收集效率与波长的关系。这些微观层面的信息对于理解材料的光电特性、诊断性能限制因素、指导材料改性和器件结构等等重要参考。

表2：太阳能水分解关键性能指针

在实际研究中，经常会发现通过EQE积分计算得到的J_sc(EQE)与在太阳光模拟器下直接测量的J_sc(SS)存在差异。

理想情况下两者应相等，但实验中的多种因素都可能导致偏差。例如，太阳光模拟器的光谱与标准AM1.5G光谱的失配（即使是Class A也允许±25%的偏差）、光源的时间不稳定性或空间不均匀性、样品对光强度的非线性响应、PEC体系中较慢的电荷转移动力学（导致稳态电流测量不准确）、以及样品在量测过程中的降解等。仔细分析这种失配的大小和原因，对于验证实验结果的可靠性、诊断仪器问题或揭示样品本身的特性至关重要。通常认为，小于5%的失配表明量测系统和操作较为规范可靠。

相较于固态光伏（PV）器件，PEC体系的量测环境本身就更为复杂。样品浸泡在液态电解质中，面临着腐蚀性环境、溶液电阻、反应过程中产生的气泡可能遮挡光线或覆盖电极活性位点等问题。此外，离子扩散和界面处pH梯度的形成也可能随时间影响电极电位和反应动力学。半导体/电解质界面的电荷转移过程可能较慢，对量测的时间尺度提出特殊要求。这些因素都给准确、可重复地获取IV和QE数据带来了额外的挑战，远超常规PV测试，因此需要更为专业化的实验装置和更为严谨的操作规程。

超越标准测试：水制氢研究对太阳光模拟器的「非标」苛求

PEC水制氢器件表征的技术难点

液相环境对光电测量的复杂影响

相较于传统光伏器件，PEC水制氢系统在液相电解质中运行，这导致了几个特殊的测量挑战：

• 光路折射与散射问题：入射光通过气-液界面时会发生折射，同时电解质溶液可能引起光散射，这些效应会改变实际到达光电极表面的光强分布与光谱特性。根据Fresnel方程，在水/空气界面，约有2%的光通量会因反射而损失，并且当入射角增大时，这一损失会显著增加。

• 溶液中的光强衰减：电解质溶液对特定波长的光存在吸收，特别是在紫外区域，这可能导致光强的非线性衰减。例如，1cm厚的水层会吸收约40%的300nm紫外光，而对800nm的红外光几乎没有吸收。

• 电极/电解质界面动态变化：在测量过程中，界面处可能发生气泡生成、局部pH变化、表面吸附/脱附等现象，这些都会导致光电流的时间依赖性波动。

• 参比电极与工作电极的空间分离：在三电极体系中，参比电极与工作电极间的距离会导致非补偿电阻(uncompensated resistance)，特别是在低导电性电解质中，这可能显著影响电压测量的准确性。

垂直浸入式电极构型的特殊要求

传统光伏测量设备通常设计为垂直向下照射平放样品，然而PEC水制氢研究中：

• 电极垂直浸入要求：为了使气泡自由脱离电极表面并维持稳定的液-固界面，PEC电极通常需要垂直浸入电解质溶液中，这要求光源能够提供水平方向的照射。

• 照射均匀性挑战：对于垂直放置的样品，确保整个电极表面接收均匀光照变得更加困难，尤其对于大面积电极。

• 电极背面照射需求：某些研究设计如p-n光电极或具有透明导电背接触的结构，可能需要从电极背面进行照射，这进一步增加了光路设计的复杂性。

• 电极位置敏感性：由于光强随电解质深度的衰减，微小的电极位置变化可能导致实际接收光强的显著变化，影响测量重复性。

太阳光模拟器是光伏研究的基石，其重要性无需赘述。然而，当我们将目光转向太阳能水制氢，尤其是PEC光电极或集成式PV-E微反应器的测试时，会发现传统为固态太阳能电池设计的测试标准与设备配置，已难以满足我们的需求。

痛点1：垂直浸液样品的新挑战——光源必须侧向打光

PEC实验面临的更大挑战在于样品的放置方式。如前所述，为了让反应产生的气泡（H₂和O₂）顺利脱离电极表面，避免遮挡活性位点影响反应持续进行，实验中常将光电极样品垂直放置在充满电解液的反应池中。这就要求太阳光模拟器的光束必须能够从侧面（水平方向）照射到样品上。但市面上绝大多数标准太阳光模拟器都是向下出光设计，无法满足这一需求。寻找一款既能满足IEC60904-9 A+级光谱匹配度和A+级时间稳定性，又能提供稳定、校准的侧向出光功能的太阳光模拟器，一直是困扰PEC研究人员的一大难题，与标准PV测试中样品水平放置、光源垂直照射（Top-down）的模式截然不同，PEC/PV-E实验的核心场景是：将光电极或集成器件垂直或倾斜浸没于特定的电解液反应池中。这个反应池不仅包含电解质，还需容纳对电极（Counter Electrode）、参比电极（Reference Electrode），并预留气体逸出信道和光学窗口。这就意味着，传统的顶照式太阳光模拟器变得极为尴尬：

• 光路遮挡与复杂化：若强行使用顶照光源，光线必须穿过电解液上方空间、电极引线、气泡等，造成严重的光强损失、不均匀性以及难以预测的散射。研究人员常常被迫采用反射镜系统来改变光路，试图实现侧面照射，但这不仅增加了光程，引入额外的光学损耗和潜在的光谱失真，更使得光斑定位、均匀性校准变得异常困难和不可靠。

• 空间限制与操作不便：顶部光源往往占据了反应池上方的宝贵空间，给电极连接、电解液添加/更换、气体收集管路布置带来极大不便。

==>核心需求：原生支持高质量侧向（水平）光束输出的太阳光模拟器。这种设计能直接、无遮挡地照射垂直放置的样品有效区域，最大限度地简化光路，确保光能的有效利用和测试几何的标准化。

痛点2：超越光谱匹配——对光谱匹配度、时间稳定性和空间均匀性的追求

水分解反应的动力学过程对光照条件的瞬时变化异常敏感。光强的任何微小波动都可能直接体现在光电流或产氢速率的读数上，尤其是在进行长时间稳定性测试（例如数小时甚至数百小时的计时电流/电位法，Chronoamperometry/Chronopotentiometry）来评估器件寿命与衰减机制时。

• 光谱匹配度：为何追求A+级别，尤其是光谱匹配度？因为许多新型光电材料，包括钙钛矿以及一些PEC光吸收材料，其光电响应对特定波长（尤其是近紫外和近红外区域的吸收边缘）非常敏感。即使是符合Class A标准的模拟器，其在某些波段高达±25%的光谱偏差也可能导致对这些材料的J_sc和效率评估产生不可忽略的误差。例如，研究表明，使用等级A光谱模拟器测试钙钛矿电池，其J_sc(SS)与J_sc(EQE)的差异可达2%以上，而使用A+级光谱模拟器则可将差异降至0.1%左右。在追求效率极限的竞赛中，百分之零点几的效率差异可能就意味着一项世界纪录的诞生。因此，采用光谱保真度更高的A+级太阳光模拟器对于获取更精准、更可靠的数据至关重要。

Enlitech SS-X系列在光谱质量上符合IEC 60904-9:2020标准的要求，其输出光谱与标准太阳光AM1.5G的匹配度达等级A甚至A+级，涵盖从紫外(UV)到近红外的关键波段(300~1800nm)，满足各种太阳能材料对光的需求。

• 时间稳定性(Temporal Instability)：IEC60904-9 Ed.3标准中的A+级别（通常要求短期<0.5%,长期<1%）对于水制氢研究而言是很低的要求而非理想目标。任何超出此范围的波动都可能掩盖真实的器件衰减趋势，或被误判为性能波动。尤其在研究缓慢的光降解或催化剂失活过程时，光源自身的波动是不可接受的噪音来源。

• 空间均匀性(Spatial Non-uniformity)：同样需要达到等级A（通常要求<2%的不均匀度）。对于面积较大的光电极或需要进行局部性能分析（如扫描光电流成像）的研究，光斑内任何显著的强度差异都会导致电流密度的计算偏差，误导对材料均一性或器件性能瓶颈的判断。

==>核心需求：具备高精准度（至少光谱匹配度与光强稳定度达A+级别）的光源，尤其是时间稳定性必须高度可靠，以支撑长时间、高精度的稳定性评估和动力学研究。

痛点3：精确可控的光强依赖性研究

研究光电流密度(J_ph)或产氢速率随入射光强(P_in)的变化关系，是揭示器件内部复合机制（如陷阱辅助复合、Auger复合）、电荷传输限制以及反应动力学（如表面态、物质传输）的关键手段。这要求太阳光模拟器能够：

• 宽范围、高精度调光：通常需要覆盖至少0.1sun到1.0sun（甚至更高，如1.2suns用于模拟聚光条件或加速老化测试）的范围，且调节步长精细（如达到0.1%级别）。

• 光谱不变性：最关键的是，在整个光强调节过程中，光源的光谱分布必须保持高度稳定（即符合AM1.5G光谱的要求），否则光强变化带来的性能改变会与光谱变化引起的效应耦合在一起，无法分离变量，得出错误结论。

==>核心需求：能在宽范围内实现全自动、高精度、且光谱分布保持恒定的光强调控能力。

表3：IEC60904-9:2020 Class A+与Class A要求比较

直面水制氢挑战：光焱科技SS-X系列太阳光模拟器的创新解决方案

在深刻理解上述水制氢研究特别且严苛的光源需求后，光焱科技(Enlitech)倾力打造的SS-X系列太阳光模拟器，正是为了解决这些核心痛点而生。它不仅仅是一个光源，更是针对前沿研究需求的精密仪器：

• 原生的四向出光灵活性：针对这一痛点，光焱科技（Enlitech）的SS-X系列太阳光模拟器提供了一个理想的解决方案。该系列模拟器不仅在核心性能上达到了IEC60904-9:2020标准的A+级光谱匹配度、等级A空间均匀度和A+级时间稳定性，更具备创新的四向出光功能。除了标准的向下出光，还可以选择向上出光（便于整合手套箱）以及左侧或右侧水平出光，适配垂直样品的水分解实验需求。光焱科技甚至推出了针对水分解量测的特定选配方案，进一步优化了其在该领域的适用性。此外，其创新的SS-IRIS技术，可以在不改变光谱的前提下，实现光强从0.01sun到最高1.2sun（根据用户需求配置，部分型号可达更高强度）的精确、自动化连续调控，这对于研究光强依赖性效应以及模拟不同光照条件下的器件性能非常有价值。其良好的手套箱整合能力也满足了对空气敏感材料的研究需求。
  

• 优秀的性能评级、高度光谱匹配：SS-X系列全面符合并超越IEC 60904-9:2020 ED3最新标准，其光谱匹配度、时间稳定性关键指标均达到最高A+级别。特别是其优秀的时间稳定性，为长时间稳定性监测和精密动力学研究提供了坚实的基础。
  

• 精准稳定的光谱不变调光：SS-X系列内置了先进的控制系统，可在不改变AM1.5G光谱特性的前提下，实现从低光强到高达1.2suns(120mW/cm²)的全自动、高分辨率（<0.1%步进）连续光强调变。这为深入研究光强依赖性提供了强有力的工具。

• 水制氢专属优化与集成：我们还提供针对水制氢研究的特定选配方案，进一步优化水平光束质量，并确保与常见的反应池尺寸和光学窗口兼容。同时，SS-X可方便地与手套箱等环境控制设备集成，满足对空气敏感材料（如钙钛矿光电极甚至有机材料）的测试需求。

SS-X系列模拟器以其创新的多向出光设计和顶级的光源性能，直击了水制氢研究在标准光源配置上的核心难题，为追求高质量、高重复性数据的研究者提供了一个真正得心应手的解决方案。

水制氢研究中的量子效率量测挑战

在评估水制氢系统性能时，除了宏观的IV特性和产氢量，深入理解光生载流子在器件内部的产生、分离、传输及注入催化层的全过程，离不开量子效率(QE)或更准确地说是光电流效率谱(Incident Photon-to-Current Efficiency, IPCE)的测量。

量子效率（Quantum Efficiency, QE）通常是一项重要指标，就如同太阳能电池会测量在不同波长光照下产生电流的外部量子效率(EQE)，水制氢研究者也希望了解其光电化学电极或光催化剂对各波长光子的利用效率。

与IV量测类似，标准的QE/IPCE量测系统通常也是采用垂直向下的光路设计。要测量垂直浸泡在电解液中的样品的量子效率，同样需要将来自单色仪的单色光束转换为精准的水平方向输出。这不仅要求光束具有良好的准直性，能够穿过反应池窗口和电解液精确照射到样品的活性区域，还需要配套的样品夹具能够将样品定位在光路上，并且参考光电探测器也能够在同一水平面上准确接收光束以进行光强校准。整个光路的设计、对准和校准都比标准设置复杂得多。市面上普通的QE系统显然无法满足这种特殊的侧向照射需求。

然而，对于水制氢装置进行QE量测，实验设计与传统太阳能电池测试有所不同，因而面临几项艰难挑战：

• 装置结构与环境：光电化学水分解通常涉及沉浸在电解液中的光电极。与干式的太阳电池不同，这种装置需要在液相中运作，光必须穿过透明容器（如石英玻璃窗）射入液体才能抵达光电极表面。液体介质的存在会引入光路中的折射、反射与额外吸收，传统QE量测系统若未针对这种情况进行校正，直接套用可能导致测得的光强或效率不准确。此外，光电极常是垂直放置、正对光源。如果使用一般为平面样品设计的QE测试仪（通常光从上往下照射水平放置的样品），就无法正确照射到垂直的光电极，需要另行调整光路。

• 光源与侦测灵敏度：QE量测通常使用单色光扫描不同波长，这意味着在特定波长时光源强度可能很弱，产生的光电流也非常微小。对于效率不高的水制氢材料，在某些波长下电流甚至浅于噪声水平。传统QE设备大多针对高光电转换效率的太阳能电池优化，直接用于低电流的光电化学电池时，可能出现讯号侦测不足或噪声过高的问题，需要额外的锁相放大器等技术支持。此外，如果没有适当的参考校准，例如先在空气中以标准太阳电池测定光强，再换到水溶液环境时，由于介质差异导致的光通量改变可能造成结果误差。

  
  

解决浸泡式光电测量难题：Enlitech QE-R水制氢专属量测方案

QE/IPCE测试的范式转变：从「妥协」到「突破」

光焱科技的QE-R量子效率量测系统，一款以高精度、高重复性著称的仪器，特别推出了针对水分解研究的选配方案(QE-R水制氢量测选配方案)，为光电化学与光催化实验量身打造精准的光谱响应测试工具。QE-R方案的一大特色在于该方案的核心是对光路进行了精密的重新设计与改造(精准的变更光路设计)，使其能够实现稳定、准确的水平侧向单色光输出(水平侧向出光)：相较传统QE系统自上而下的照射方式，QE-R能将单色光水平投射，方便直接照射位于电解池侧面的光电极或反应区域。这种设计适配典型水制氢实验配置（例如垂直放置的光电极），确保每一个波长的光都能有效地打在作用表面，而无需为迁就光路来改变样品摆放方式。配合专门设计的样品夹具和校准流程，研究人员可以在保持QE-R系统固有高精准度(保证其精准性)的前提下，方便地对垂直浸没在电解液中的光电极样品进行EQE/IPCE光谱量测。这直接攻克了PEC研究中QE量测的几何限制难题。

为了保证量测精准，QE-R方案在光源校准和侦测上也下足工夫，系统配备高稳定度的全光谱光源和高灵敏度检测器，搭配锁相放大技术，可以解析出极微弱的光电流讯号。

考虑到光在水溶液与石英介质中的传播特性差异，QE-R在校正流程中加入了专门的参考校准步骤，确保不同波长的实际入射光功率都得到精确计算。也就是说，研究者在使用QE-R时，可以信赖其测得的每一组量子效率数据，无需担心因实验装置几何或介质差异而产生隐藏误差。

QE-R方案还充分考虑了实验便利性。它的设计可无缝衔接前述SS-X系列太阳光模拟器和夹持系统，使研究人员能在同一套装置上完成光谱响应测试与长时间光照实验，而无需反复更换设备。

精密载台：从「将就」到「讲究」

光有优秀的光源还不够，要获得可靠的实验数据，样品的摆放与固定同样关键。将光电极样品稳固地安装在PEC测试池中，确保良好的电接触，精确限定受照面积，同时防止电解液泄漏或污染，是获得准确实验结果的基础，但操作起来却颇具挑战，在水制氢实验中，研究者常需要将光电极固定在电解槽中适当的位置，例如让电极正对光源且浸没在电解液的指定深度。如果夹持不稳固，实验过程中电极位置稍有偏移，就可能改变受光面积或光路距离，影响量测结果。此外，不同实验装置的尺寸和形状差异很大，从小型三电极电化学池到较大的两电极光解水装置，都需要对应的固定方式。

标准的PV样品夹具不适用于液相环境。不恰当的装夹可能导致接触电阻过大、受照面积定义不清、电解液泄漏、甚至样品损坏，严重影响实验的准确性和重复性。

因此，设计精良、使用方便的专用测试夹治具对于PEC实验室关键因素。它需要能够牢固固定不同尺寸和形状的样品，提供可靠的电接触，精确定义光照窗口，并与反应池良好密封，同时还要耐受腐蚀性电解液。

光焱科技深刻理解研究人员在此方面遇到的困难，除了提供高性能的仪器，还可为水分解研究提供专属的夹治具解决方案更重要的是，光焱科技能够配合客户的具体需求进行局部客制化微调，以合理的价格量身打造适合研究者特定反应池设计和实验流程的样品台和夹具，从而显著提升实验的精度、效率和便捷性。

针对水制氢实验中各式各样的电池与反应器，Enlitech光焱科技提供了专属的夹具与样品载台配套，确保样品在光照过程中维持最佳位置和状态。

光焱科技Enlitech深知这些需求，因此开发了模块化的夹具系统，提供的水制氢专用夹治具方案，不仅提供标准化设计，其灵活的局部客制化服务，更能与搭载了水制氢模块的SS-X太阳光模拟器以及QE-R量子效率双重配合，确保从光源到样品的每一个环节都达到高标准。

以SS-X四向出光模拟器的应用为例，其专用夹具能将样品精确地置于侧光光源汇聚的中央位置，保证每次实验中样品受光条件一致。不仅夹持牢固，夹具还预留了电极接线和电解液容器的空间，方便接入测试线路和气体收集装置。而对于需要特殊角度照射或特定倾斜摆放的样品，Enlitech也提供客制化的微调机构，研究人员可微调样品的角度、高度，获得理想的光照几何条件。同时，所有夹具材料均选用抗腐蚀材质，适合长时间接触电解液，避免杂质污染实验。

透过这些贴心设计，Enlitech光焱科技的样品夹治具有效减少了人工调整与临时固定带来的误差风险。每次实验都能在高度可重复的条件下进行，提升数据的一致性。不论是进行长时间耐久性测试还是精准的量子效率扫描，有了稳定的夹持系统，研究者不需顾虑，且相信装置的位置与状态不会成为变量，把全部精力投入科学问题本身。

结语：平台实力+专用模块=研究加速器

这些针对PEC水分解特殊需求的专用设备（如具备侧向出光的A+级太阳光模拟器、可水平出光的QE系统、以及客制化的夹治具）的出现，标志着该研究领域已经从早期的基础材料探索阶段，发展到了对实验精度和设备专业化程度要求更高的阶段。为了深入理解复杂的反应机制（如界面动力学、降解过程）、追求更高的效率和稳定性，研究人员必须最大限度地减少实验误差和人为干扰，这就要求使用专门优化设计的、高质量的量测基础设施。此外，许多前沿的PEC材料（如钙钛矿或特定的催化剂/界面修饰层）对空气、湿气等环境因素非常敏感。因此，将太阳光模拟器、QE系统等精密量测仪器与手套箱等可控气氛环境进行无缝整合，已成为进行材料研究的必要条件，而非仅仅是特殊需求。PEC研究艰难而特别的实验环境——样品浸没于液体中、常需垂直放置、反应伴随气体产生——对传统的测试仪器提出了严峻的挑战，尤其是在高保真度光源的侧向照射和浸没样品的量子效率测量方面。这些实验难点的存在，使得投资于专门为PEC研究设计和优化的高性能表征设备，不再是一种奢侈，而是确保数据质量、提高研究效率、加速技术突破的必要保障。

同行们，太阳能水制氢研究的深入发展，迫切需要更专业、更适配的表征工具。光焱科技(Enlitech)洞察到了这一需求，没有选择开发全新的、可能功能单一的设备，而是采取了更具智慧和前瞻性的平台化+模块化策略。

光焱科技（Enlitech）作为专注于光电量测解决方案的提供者，始终致力于与科研界紧密合作，深刻理解前沿研究所面临的挑战与需求。我们提供的SS-X系列A+级太阳光模拟器，凭借其优秀的光谱保真度、稳定性以及创新的四向出光（含侧向）能力，为PEC研究提供了理想的光源保障。而QE-R量子效率系统的水分解测量选配方案，则通过创新的水平光路设计，精准解决了垂直浸没样品的QE测试难题。结合可客制化的专用夹治具，光焱科技旨在为全球太阳能水分解研究人员提供一整套量身定制的、高精度、高效率的量测解决方案，助力科学家们攻克难关，这种策略的核心是赋能(Empowerment)。我们相信，通过为平台赋予精准解决特定领域挑战的能力，能够最大限度地提升您的研究效率，保障您的数据质量，加速您在太阳能水制氢领域的探索与突破。

如果您正在为水制氢光电表征的难题而困扰，或者希望了解如何利用SS-X或QE-R平台的模块化升级来提升您的研究能力，我们非常期待与您进行更深入的技术探讨。让我们携手，用更智能、更精准的工具，共同迎接绿色氢能时代的到来！