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氢气一直被人们认为是一种最理想的绿色能源载体,具有来源丰富、清洁、可再生等特点,以方便而廉价的方法制氢则成为人们梦寐以求的愿望。随着石油价格因资源量的减少而不断升高以及光伏技术的不断进步,太阳能光解水制氢已成为一种最有前景的解决未来替代能源的途径。传统光伏制氢需太阳能电池方阵经调节输出电压和功率与电解池相匹配,易导致功效损失,降低太阳能制氢的效率。本文以集成自耦合型太阳光制氢系统为模式,以理论分析为基础,无需太阳能最大功率点跟踪控制器直接构建新型高效太阳能光解水制氢系统。通过分子设计、稀土掺杂等手段研制高效稳定的钛基贵金属阳极构建电解单元,将不同特性的太阳能电池构建光电单元,并通过调制组合将两单元直接相连构建高效自耦合型太阳光分解水制氢系统,具有光谱匹配、电位匹配及效率匹配等特点,大幅提高了系统太阳能制氢的光转换效率。电解单元阳极过电位是电解水过程中能量转换效率较低的主要原因之一。采用热分解法制备了一系列钛基贵金属多元氧化物-稀土阳极,借助扫描电镜-能谱、X-衍射等方法对其表面形貌及结构进行表征,在1.0mol?dm-3 KOH电解液中分别对电极开路电压、循环伏安曲线、析氧极化曲线及强化寿命等性能进行测试。研究结果表明,适量稀土的掺杂可以细化电极表面物质的晶相,提高电极活性表面积;当电极掺杂铈、镧、钕的组成比例分别为Ru0.3Co0.7Ce0.3,Ru0.3Co0.7La0.1,Ru0.3Co0.7Nd0.05时,三电极分别具有最佳的析氧性能,反应表观活化能相对Ru0.3Co0.7电极分别降低27.18%,25.00%,25.06%;对于Ru0.5SnxCe0.5-x电极,当x = 0.3时电极具有最佳的电催化析氧性能。优选出RuSnCe、RuCoCe两类低析氧过电位的阳极,以此分别构建自耦合光解水制氢系统的两类电解单元(RuSnCe/KOH/Pt)及(RuCoCe/KOH/Pt)。太阳能电池的性能与制造电池所用半导体材料特性有关,基于光电单元须提供足够的分解水所需光电压,通过构建单晶硅、多晶硅、多带隙AlGaAs/Si及GaInP2/GaAs/Ge等四类光电单元,在室温AM1.5 100mW cm-2光强条件下分别对其性能进行测定。结果表明,经串联构建的单晶硅、多晶硅及多带隙AlGaAs/Si单体、GaInP2/GaAs/Ge单体等光电单元满足设计要求,其最大功率点电压Vmp分别为1.310V、4.333V、1.300V及2.462V,对应最大光电转化效率ηph分别达到13.66%、10.85%、21.19%、28.23%。基于高效自耦合光解水制氢系统的理论分析及模型,构建了[∑(单晶Si)/1(RuCoCe /KOH/Pt)]、[∑(多晶Si)/∑(RuCoCe/KOH/Pt)]、[1(AlGaAs/Si)/1(RuSnCe/KOH/Pt)]、[1(GaInP2/GaAs/Ge)/∑(RuSnCe/KOH/Pt)]等四类系统,在AM1.5 100mW cm-2光强条件下研究系统制氢性能。结果表明上述四系统均较好地体现了光电单元I-V特性与电解单元I-V特性的匹配,且随着电解温度的升高,系统工作点位置均向光电单元的最大功率点逼近。其中[1(GaInP2/GaAs/Ge)/∑(RuSnCe/KOH/Pt)]系统取得了超过20%的光-氢利用效率。因此实验证明本文建立的高效自耦合光解水制氢模型是正确的。