[发明专利]通过水解离进行太阳能制氢的混合装置及其制造方法

说明书

本发明涉及一种将光电阳极与商用硅光伏电池单片集成的混合装置，商用硅光伏电池包括p型硅层和n型硅层，其中p型硅层和n型硅层均具有对应于硅晶体的(100)晶面的主暴露表面，光电阳极包括在p型硅层的(100)晶面上生成的SiNx中间层，在SiNx中间层上外延生长的c面InGaN层，以及在所述InGaN层的暴露表面上生成的InN量子点。该混合装置能够在被可见光或紫外光照射时将水分解成氢和氧。本发明还涉及制造该混合装置的方法。

技术领域

本发明涉及可再生能源领域，具体地，涉及太阳能水解离制氢领域，更具体地，涉及一种通过水解离进行太阳能制氢的混合装置及其制造方法。

背景技术

迄今为止，全球产生和消耗的能源的很大一部分仍然为传统能源，现今已经存在各种问题。具体地，对于石油，首要的问题是在未来的存量不足；化石燃料(石油及其衍生物、煤炭和类似产品)是造成温室效应、气候变化-全球变暖及其后果的主要原因；最后，核燃料和核电站本质上是危险的，核能产生的最终产物在很长一段时间(甚至数千年或更长时间)内都存在安全存储的严重问题，为此尚未找到可行的解决方案。

鉴于这些问题，在过去几十年中，针对新能源的探索已经进行了许多研究工作，这些新能源应该是可再生的(即不会像化石燃料一样耗尽)，并且使得对这些能源的使用不存在危险的副作用。

一种有前途的候选物是太阳能。

一种太阳能再生的可能性是利用光伏电池将太阳能直接转化为电能。然而，在这种情况下的一个问题是能量的储存，以应对不同的能量采集(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为氢和氧；如此生成的氢可以进行存储和在需要时通过直接燃烧或在燃料电池中与氧复合而产生能量来进行使用。这种方法带来的优点是，氢的存储比电的存储更容易；并且氢和氧的复合生成水，因此完全安全和环保。

目前，太阳能制氢的两条主要途径是基于(i)用作直接光电化学水解离的光电极的宽带隙金属氧化物或III-V半导体；和(ii)用于辅助催化水电解的光伏电池。

然而，目前用于直接光电化学水解离的电极的效率低于2％；此外，还需要外加电压来驱动水解离反应，从而降低了系统的净能量平衡和效用。

迄今为止，光伏电池驱动的水电解已达到最高的太阳能化氢效率约为10％。在专利US 6,936,143 B1和专利申请WO 2011/006102 A2中(在这些文献中，系统被定义为“串叠型电池”)中记载了这种系统的例子。然而，所需的多结电池或模块制造复杂且成本很高，所需的电催化系统也遇到同样的问题。此外，为了实际应用，用于制氢的太阳能系统应具有不小于15％的能量转换效率，并且优选为约20％或更高的能量转换效率：引用文献中提出的系统并没有示出这样的效率水平；能量转换效率由以下公式测量：

其中：

η为太阳能转化为氢能的转换效率；

j为光电流密度(mA/cm²)；

1.23V为分解水所需的理论最小电压；以及

P为入射光功率密度(mW/cm²)。