[發(fā)明專利]光電化學(xué)電池、用于用光電化學(xué)電池以光驅(qū)動(dòng)方式產(chǎn)生氫和氧的系統(tǒng)和方法和用于制造光電化學(xué)電池的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201380018724.2
• 申請(qǐng)日: 2013-03-15
• 公開（公告）號(hào): CN104302812A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: S·霍赫;M·布盧格;J·布澤;W·卡爾維特;B·凱澤爾;W·耶格曼;H·哈恩;H-W·延托夫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 贏創(chuàng)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司
• 主分類號(hào): C25B1/04
• 分類號(hào): C25B1/04;C25B9/10;C25B11/03;C25B11/04;H01L31/0725
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 臧永杰;劉春元

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光電化學(xué)電池，用以尤其從水或其他基于水溶液的電解質(zhì)中產(chǎn)生氫和氧。本發(fā)明還涉及帶有大量這樣的具有至少一個(gè)第一和第二電池的光電化學(xué)電池的系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及用于用光電化學(xué)電池尤其從水或其他基于水溶液的電解質(zhì)中以光驅(qū)動(dòng)方式產(chǎn)生氫和氧的方法。本發(fā)明還涉及用于制造光電化學(xué)電池的方法。

背景技術(shù)

氫的制造通常通過蒸汽改造的工藝大規(guī)模地進(jìn)行，其中從諸如天然氣、石油、生物質(zhì)等碳?xì)浠衔镏性趦蓚€(gè)工藝步驟中產(chǎn)生氫。用于該工藝的成本相對(duì)高并強(qiáng)烈地與一般能源價(jià)格相耦合。此外，大量地形成對(duì)氣候有害的氣體CO₂。因此，為了利用氫作為再生性產(chǎn)生的燃料，需要在將來開發(fā)有競(jìng)爭(zhēng)力的設(shè)備。為此，直接以光電化學(xué)方式產(chǎn)生氫是在技術(shù)上極度令人感興趣的變型方案。通過在利用光電化學(xué)電池的情況下從水或其他基于水溶液的電解質(zhì)中以光驅(qū)動(dòng)方式產(chǎn)生氫和氧，用于產(chǎn)生氫的成本相對(duì)于當(dāng)前采用的方法可能變得是有競(jìng)爭(zhēng)力的。此外，用光電化學(xué)電池制造氫幾乎是氣候中性的，也就是說在工藝期間幾乎不形成附加的CO₂。具體地說，太陽能量可以借助于太陽產(chǎn)生的氫被轉(zhuǎn)換為化學(xué)能量，并且從而被置于能更好地存儲(chǔ)的形式。借助于光電化學(xué)電池進(jìn)行轉(zhuǎn)化允許大規(guī)模應(yīng)用，并且——在產(chǎn)生氫的情況下——，具有再生能量產(chǎn)生形式的波動(dòng)的能量提供問題得以解決。光電化學(xué)電池的應(yīng)用被認(rèn)為是在生態(tài)學(xué)上有意義的，因?yàn)闅渑c氧燃燒成水是氣候中性的和環(huán)境兼容的。

在此期間，存在關(guān)于利用直接轉(zhuǎn)換以電化學(xué)方式產(chǎn)生氫的良好了解，如例如在WO?2005/007932?A2中所述的。存在用于耦合光伏和電化學(xué)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單方案，如例如在DE?10?2004?050?638?B3中所描述的。此外由Pijpers等人在PNAS?Early?Edition，第1至6頁在www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1106545108“Light-induced?water?oxidation?at?silicon?electrodes?functionalized?with?a?cobalt?oxigen-evolving?catalyst下考慮用于大規(guī)模地制備大面積襯底上的薄層太陽能電池以獲得電能的基本前提。Khaselev等人在SCIENCE?Vol.280，第425至427頁和International?Journal?of?Hydrogen?Energy?26(2001)，第127至132頁中的文章示出用于制備光電化學(xué)系統(tǒng)的另一方案，例如用于具有電鍍鉑電極作為對(duì)應(yīng)電極的基于硅的三聯(lián)電池或III-V串聯(lián)電池。

雖然如此，所有系統(tǒng)都缺少足夠的效率，這最終是由電化學(xué)電池的仍值得改善的集成引起的。雖然在光伏電池中在物理界限處比較薄的和穩(wěn)定的光吸收體的問題顯得是可解決的，但是仍然存在關(guān)于在電化學(xué)電池中、亦即在光伏電池和電化學(xué)電池之間的耦合界限處在固態(tài)光吸收體和液態(tài)電解質(zhì)之間有效的電子耦合的顯著的問題。在電化學(xué)電池的基于電解質(zhì)的氧化還原系統(tǒng)和光吸收體之間的電荷傳輸也仍是值得改善的。至今所有已知的系統(tǒng)均使電化學(xué)電池和光伏電池全面暴露于大多酸性的電解質(zhì)，這在任何情況下都對(duì)于光伏電池導(dǎo)致并非無關(guān)緊要的穩(wěn)定性問題。還表明，在固態(tài)的光伏電池和電化學(xué)電池的部分液態(tài)的電解質(zhì)之間的所談及的耦合是困難的；這導(dǎo)致至少電化學(xué)電池的輸入端處的高電阻，這明顯地使整個(gè)光電化學(xué)電池的效率降到10％以下。

值得期望的是光電化學(xué)電池的改善的系統(tǒng)解決方案，其不僅僅包括光伏電池和電化學(xué)電池的部分，而是包括光伏電池和電化學(xué)電池的所有組件，尤其考慮電解質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明以此為出發(fā)點(diǎn)，本發(fā)明的任務(wù)是說明用于從水或其他基于水溶液的電解質(zhì)以光驅(qū)動(dòng)方式產(chǎn)生氫和氧的裝置和方法。光電化學(xué)電池尤其應(yīng)該以改善的結(jié)構(gòu)方式提供，其一起包括所有組件，尤其是光伏電池和電化學(xué)電池，優(yōu)選還包括電解質(zhì)。光電化學(xué)電池尤其應(yīng)該適宜于大規(guī)模生產(chǎn)，優(yōu)選比較簡(jiǎn)單地被構(gòu)建和可制造；所述電池應(yīng)該如同盡可能持久的、耐久的和長(zhǎng)壽命的。尤其應(yīng)該降低電解質(zhì)對(duì)光電化學(xué)電池的諸如腐蝕等有害影響。光伏電池的吸收特性尤其應(yīng)該可以不受水或其他含水電解質(zhì)的影響影響地加以改善。尤其應(yīng)該減小光電化學(xué)電池的電子總電阻。這優(yōu)選不僅僅涉及具有減小的電阻的光伏電池，而特別是涉及光伏電池和電化學(xué)電池之間效率優(yōu)化的電子耦合以及光吸收體和氧化還原系統(tǒng)之間的改善的電荷傳輸。