[发明专利]用于太阳能制氢的光电化学水分解装置及其制造方法

说明书

本发明涉及一种混合装置，其将光电阳极与硅光伏电池单片集成，能够在被可见光或紫外光照射时将水分解成氢和氧；本发明还涉及用于制造混合装置的方法。

技术领域

本发明总体上涉及可再生能源领域，具体地，涉及通过太阳能驱动的水分解来制氢。

背景技术

到目前为止已经占据了全球能量产生和消耗的很大一部分的一些传统能源造成了当今的问题。特别是关于石油，第一问题是其在未来的短缺；更一般地，化石燃料(石油及其衍生物、煤炭和类似产品)对温室效应、气候变化—全球变暖及其后果负有责任；最后，核燃料和核电站本质上是危险的，且核能发电的最终产物造成了长期(甚至数千年或更长时间)的安全储备的严重问题，对此目前还没有找到可行的解决方案。

鉴于这些问题，在过去的几十年中，许多研究工作都致力于寻找新能源，这些新能源理想上应该是可再生的(即，不像化石燃料那样会耗尽)，并且它们的使用不会带来危险的副作用。

太阳能是有希望的候选者。

太阳能回收的可行方案是借助于光伏电池将太阳光直接转化为电能。然而，这种情况下的问题是储存能量以应对不同的能量收集(白天、夜晚、天气)和不同的需求供应。

另一种方法是利用太阳能将水分解成氢和氧；这样产生的氢可以储存起来，并在需要时通过无论是直接燃烧还是在燃料电池中与氧的再结合来产生能量。这种方法提供的优点在于，氢的储存比电的储存更容易；并且氢和氧的再结合产生水，因此是完全安全且环境友好的。

目前，太阳能制氢的两条主要路线基于(i)用作用于直接光电化学水分解的光电极的宽带隙金属氧化物或III-V族半导体；以及(ii)用于催化剂辅助的水电解的光伏电池。

然而，用于直接光电化学水分解的电极目前具有低于2％的低效率；此外，它们需要外部电压供应来驱动水分解反应，从而降低净能量平衡和系统的效用。

迄今为止，通过光伏电池驱动的水电解，已经实现了大约10％的最高的太阳能转氢效率。专利US 6,936,143B1和专利申请WO 2011/006102A2(在这些文献中，系统被定义为“串叠型电池”)中报道了这种系统的示例。然而，所需的多结电池或模块制造起来复杂且昂贵，这也适用于所需的电催化剂系统。此外，为了实用，用于制氢的太阳能系统应该具有不低于15％，优选约20％或更高的功率转换效率：引用文献中所提出的系统没有显示出这些效率水平；功率转换效率使用以下公式来测定：

其中：

η是太阳能转氢的功率转换效率；

j是以mA/cm²为单位的光电流密度；

1.23V是分解水所需的理论最小电压；以及

P是以mW/cm²为单位的入射光功率密度。

最近，一种新型的光电阳极在由N.H.Alvi等人于Nano Energy(2015)13第291-297页中发表的论文“InN/InGaN quantum dot photoelectrode：Efficient hydrogengeneration by water splitting at zero voltage”中公开。这种光电阳极利用InGaN表面上产生的InN量子点的活性，通过零外加电压下的水分解驱动直接光电化学制氢，其中太阳能转氢的效率为6％；在0.4V外偏压下，效率增加到20％。这种光电阳极与p-Si欧姆接触，因此可以与Si光伏电池集成，容易地提供0.4V的偏压，而不限制电流，以达到20％的效率。