[实用新型]光合反应装置

说明书

本实用新型公开了一种光合反应装置，包括反应槽、质子交换膜、氧化电极、还原电极和导线，质子交换膜设于反应槽内以将反应槽分隔为第一槽和第二槽，氧化电极设于第一槽的底部，还原电极设于第二槽的底部，氧化电极和还原电极通过导线彼此连接，氧化电极包括金属层、光电转换器件和电极反应层，金属层与导线连接，光电转换器件和电极反应层依序叠层于金属层上。本实用新型提高了太阳光的利用率。

技术领域

本实用新型涉及人工光合作用领域，尤其涉及一种光合反应装置。

背景技术

环境和能源问题已成为全球性难题，相比于太阳能、水能、风能、核能等新能源，碳资源的开发和利用还刚刚起步。人工光合作用可以将太阳光能转换成化学能，同时产生可再生、无污染的燃料及多种用途的含能物质，对减少二氧化碳排放，以及开发利用新能源具有非常重要的意义。

目前，太阳能利用主要有光热转换、光电转换和光化转换三种方式，其中光合作用经过数十亿年的演变，具有非常优良的结构功能特性和较高的能量转化效率。因此，早在20世纪90年代就有研究者提出了人工光合作用的概念。而无机半导体材料光催化性能的研究可追溯到1972年，Fujishima和Honda等发现了本田藤岛效应：单晶电极与Pt电极相连放入水中，在太阳光的照射下，水能被分解成氧气和氢气。而第三代半导体材料GaN在半导体照明和功率器件中获得了最广泛应用，同时也是为数不多可同时满足二氧化碳还原和水分子的氧化条件的光催化材料，GaN的电子亲和势比传统用于光催化的氧化物材料要小很多，因此在光制氢和二氧化碳减排方面显示了巨大的应用前景。

一般情况下人工光合反应装置吸收的光能的来源是太阳光，但是采用GaN的光和反应装置的氧化电极能够吸收利用的光线波段比较单一，因此有必要设计一种吸收多种波段光线的光合反应装置，来提高太阳光的利用率。

实用新型内容

为了达到上述的目的，本实用新型采用了如下的技术方案：

一种光合反应装置，包括反应槽、质子交换膜、氧化电极、还原电极和导线，所述质子交换膜设于所述反应槽内以将所述反应槽分隔为第一槽和第二槽，所述氧化电极设于所述第一槽的底部，所述还原电极设于所述第二槽的底部，所述氧化电极和所述还原电极通过所述导线彼此连接，所述氧化电极包括金属层、光电转换器件和电极反应层，所述金属层与所述导线连接，所述光电转换器件和所述电极反应层依序叠层于所述金属层上。

优选地，所述电极反应层包括N型衬底、缓冲层和多个N型GaN纳米柱，所述N型衬底和所述缓冲层依序叠层于所述光电转换器件上，所述N型GaN纳米柱设置于所述缓冲层背向所述N型衬底的表面上。

优选地，所述光电转换器件由至少一个单结子电池构成，所述单结子电池包括依序叠层于所述金属层上的下接触层、背场层、基区、反射层、窗口层和上接触层。

优选地，所述电极反应层还包括设置于所述N型GaN纳米柱中的In_xGa_1-xN(0≤x≤1)量子点。

优选地，所述还原电极包括金属棒和催化剂层，所述金属棒与所述导线连接，所述催化剂层设于所述金属棒的表面上。

优选地，所述氧化电极与所述还原电极之间串联有稳压器。

优选地，所述光电转换器件由多个所述单结子电池构成，多个所述单结子电池以能量带隙逐渐增大或减小的顺序叠层连接。

与现有技术相比，本实用新型中在所述金属层与所述电极反应层之间额外设置了光电转换器件，所述光电转换器件由至少一个单结子电池构成，使得所述光电转换器件能够吸收所述电极反应层未吸收的剩余的光线，以生成额外的空穴-电子对，这些额外的光生空穴会集结在所述电极反应层的表面上并参与水的分解反应，从而提高了水的分解反应速率，提高了太阳光的利用率。

附图说明

图1为本实用新型的光合反应装置的结构示意图；