[发明专利]一种水分解制氢的方法及其装置

说明书

一种水分解制氢的方法及其装置，其中方法包括：分别在N型和P型半导体硅的一侧设置铌掺杂二氧化钛透明导电层，另一侧设置导电金属层，得到N型硅光电极和P型硅光电极；N型硅光电极和P型硅光电极分别作为正、负极连接成电解器；利用温差驱动热电半导体产生电能驱动N型硅光电极和P型硅光电极进行水分解制氢。该方法利用太阳的光热转换驱动热电半导体提供偏压来促使硅光电极实现水分解，避免因光伏电池光电压和光电流的限制关系导致水分解效率降低。同时，利用耐腐蚀的铌掺杂二氧化钛透明导电层，实现硅光电极高效光吸收和高效载流子迁移，从而提高硅光电极水分解的效率和稳定性。

技术领域

本发明涉及水分解领域，尤其涉及于一种利用太阳能和硅光电极进行水分解制氢的方法及其装置。

背景技术

近几十年来，随着全球能源需求的持续增长，寻找新能源的研究越来越受到人们的关注。氢能作为二次能源，具有清洁、高效、可贮存、可运输等诸多优点，已普遍被认为是一种理想的新世纪无污染的绿色能源，因此受到了各国的高度重视。

光解水制氢就是制氢的一种方式，其原理是：光辐射在半导体上，当辐射的能量大于或相当于半导体的禁带宽度时，半导体内电子受激发从价带跃迁到导带，而空穴则留在价带，使电子和空穴发生分离，然后分别在半导体的不同位置将水还原成氢气或者将水氧化成氧气。

经研究发现，基于水分解的热力学和动力学条件，光解水的外加电压必须大于1.6V才能实现水分解全反应。目前，仅依靠半导体光电极(例如硅光电极)在模拟太阳光照射下产生的电压往往不足以实现水分解反应。因此，需要向硅光电极上施加偏压，通常可采用硅光伏电池驱动硅光电极进行水分解，但由于硅光伏电池存在光电压和光电流间的限制关系，导致硅光电极的光电流密度降低，从而降低了依靠太阳能制备氢气的转换效率。此外，硅光电极需要较厚的耐腐蚀性保护层才能使其表现出稳定的光电性能，而太厚的保护层往往不利于硅光电极对入射光的吸收或光生载流子的传输，从而导致光电性能的下降。

因此，针对以上缺陷，同时为了满足节能环保的需求，需要对现有的技术进行有效创新。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水分解制氢的方法及其装置，该方法利用太阳的光热转换驱动热电半导体提供偏压来促使硅光电极实现水分解，避免因光伏电池光电压和光电流的限制关系导致水分解效率降低。同时，利用耐腐蚀的铌掺杂二氧化钛透明导电层，实现硅光电极高效光吸收和高效载流子迁移，从而提高硅光电极水分解的效率和稳定性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水分解制氢的方法，包括如下步骤：

S1、分别在N型和P型半导体硅的一侧设置铌掺杂二氧化钛透明导电层，另一侧设置导电金属层，得到N型硅光电极和P型硅光电极；

S2、N型硅光电极和P型硅光电极分别作为正、负极连接成电解器；

S3、利用热电器件驱动N型硅光电极和P型硅光电极进行水分解制氢；

进一步地，步骤S1中，利用磁控溅射、激光脉冲或表面喷涂的方法分别在N型和P型半导体硅的一侧沉积铌掺杂二氧化钛透明导电层，并对铌掺杂二氧化钛透明导电层进行热处理，热处理完成后，分别在N型和P型半导体硅的另一侧利用磁控溅射、激光脉冲或表面喷涂的方法沉积导电金属层，得到N型硅光电极和P型硅光电极；

进一步地，步骤S2中，在所述P型硅光电极的所述铌掺杂二氧化钛透明导电层表面制备用于水分解产氢的催化剂，在所述N型硅光电极的所述铌掺杂二氧化钛透明导电层表面制备用于水分解产氧的催化剂；

进一步地，采用磁控溅射、脉冲激光或电子束蒸发的方法制备用于水分解产氢和产氧的催化剂；