[发明专利]光电化学水裂解

说明书

本发明涉及光电化学水裂解，更具体地，公开了一种电极(300、400、500)。所述电极(300、400、500)包括衬底(302)。此外，所述电极(300、400、500)包括设置在所述衬底(302)上的第一导电层(304)。所述第一导电层(304)由氧化铟锡(ITO)和氟掺杂的氧化锡(FTO)中的至少一种形成。所述电极(300、400、500)还包括设置在所述第一导电层(304)上的至少一个半导体层(308、502)。此外，所述电极(300、400、500)包括分布于所述第一导电层(304)上且适于传导来自所述电极(300、400、500)的电流的至少一个连接器(120、402、504)。

技术领域

本发明涉及水裂解，具体地涉及一种光电化学(PEC)模块和用于执行PEC水裂解的方法。

背景技术

水裂解是指将水分解为氧和氢的化学反应。目前，采用如光电化学(PEC)水裂解的工艺来分解水，由此产生氢气。PEC水裂解工艺包括设置在电解质溶液中的半导体电极。提供半导体电极以将太阳能直接转换成化学能来分解水。具体地说，半导体电极将太阳能转换成电子空穴对以进行氧化还原反应用于水裂解。

一般说来，半导体电极可由宽带半导体材料或窄带半导体材料制成。采用宽带半导体材料的半导体电极能够在太阳能存在下执行水裂解，而无需来自外部电压电源的任何辅助。然而，宽带半导体材料不能利用大部分太阳光谱来执行水裂解。

此外，采用窄带半导体材料的半导体电极能够利用大部分的太阳光谱。然而，窄带半导体材料不能生成水裂解所需的足够电压。因此，采用窄带半导体材料的半导体电极需要外部电压电源用于提供足够的电压来执行水裂解。另外，各种高效材料如硅和III-V半导体(铝、镓、砷化物等)可用于半导体电极中。然而，这种高效材料在电解质如强电解质中是不稳定的，这使得这种高效材料在半导体电极中的使用不可行。因此，为了有效和高效地执行水裂解，需要半导体电极的按几何比例放大。

然而，半导体电极的按几何比例放大由于电阻损失而并不合适。具体地说，半导体电极包括由导电材料制成的衬底。一般说来，这种导电材料具有高的薄层电阻率，如果半导体电极的尺寸增加，这将造成电阻损失的增加。此外，半导体电极的电阻损失可造成通过半导体电极从太阳光谱利用的电流的减少。

美国专利7,459,065(以下简称’065专利)公开了一种用于制氢的大规模系统，其中用于水分解的能量主要获自浸没到电解质中的光电模块。申请’065公开了一种使用日光(光电解)由水的分解生成氢气的装置。所述系统利用充满水性流体的容器，其既用于装待分解的水，也用作集光透镜。光伏模块被定位在最高效地接收来自充满液体的容器的折射光的位置处。将耦合到光伏模块的一对电极设置在流体中并且被配置来将水裂解为氢和氧。然而，’065专利中所公开的光伏模块当浸没于有待分解的水中时是不稳定的。

美国专利申请2004/0003837(以下简称’837申请)公开了一种集成式光伏-光电化学装置。’837申请公开了光伏-光电化学装置，其各自包括二极管和多个单独的光电阴极元件。优选地，将装置定位于容器中，在所述容器中装置至少部分地浸没于电解质中。优选地，将装置定位于具有至少一个光电阴极反应产物出口和至少一个阳极反应产物出口的容器中。优选地，将所述装置定位于容器中，所述容器具有从容器顶部向容器底部延伸但未达到容器底部的内部部分壁，所述内部部分壁被定位在光电阴极元件与阳极元件之间，所述阳极元件电连接到二极管的p-区域。然而，需要用于制造供水裂解用的装置的复杂工艺。

发明内容

在本公开的一个实施方案中，提供了一种电极。所述电极包括衬底。所述电极还包括设置在该衬底上的第一导电层。第一导电层由氧化铟锡(ITO)和氟掺杂的氧化锡(FTO)中的至少一种形成。所述电极包括设置在所述第一导电层上的至少一个半导体层。此外，所述电极包括分布在所述第一导电层上的至少一个连接器。所述至少一个连接器适于传导来自该电极的电流。