[發明專利]可同時光電轉化與光能存儲的納米線陣列器件及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201410288386.0
• 申請日: 2014-06-25
• 公開（公告）號: CN104078245A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發明（設計）人: 鄭耿鋒;王永成;唐靜
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20;H01G9/042
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于太陽能電池技術領域，具體涉及一種納米線陣列器件及其制備方法和應用。

背景技術

能源危機作為本世紀急需解決的重大問題，發展新能源技術是解決能源危機的關鍵，而太陽能的利用作為新能源中重要一員。一般利用太陽能資源可分為兩大類：一類是太陽能電池，將太陽能轉換為電能利用，但由于太陽能電池的電能需及時使用，不能長期儲存，因而在實際使用中會存在并網、儲能等問題；另一類是光化學電池，將太陽能轉換為化學能利用，如太陽能分解水制氫，此種能源無需進一步轉換，可直接儲存長期使用。

傳統的光解水制氫氣，是用太陽光照射半導體材料產生光生電子和空穴將水分解，光生電子還原水產生氫氣，光生空穴氧化水產生氧氣，氫氣是重要的能源物質，但氧氣在能源上卻沒有多少實用價值，因而此部分包含的光生空穴的能量即被浪費。本發明利用在半導體光陽極上負載贗電容材料，將光生空穴的能量儲存在電容器中。并可以通過電容器放電和化學傳感器將此部分儲存的電容能量進一步釋放出來。本發明可以有效提高光解水的能量利用效率，且制作步驟簡單，方便大規模利用。

發明內容

本發明的目的是提供一種可利用太陽能同時實現光電轉換、光能儲存與利用的多功能納米線陣列器件及其制備方法和應用。

本發明提供的同時實現光電轉換、光能儲存與利用的納米線陣器件，包括：一在光電材料上復合電容材料制成的光陽極；一光陰極；電解液；上述光陽極和光陰極短路連接后置于電解液中。

本發明提供的同時實現光電轉換、光能儲存與利用的納米線陣器件的制備方法，具體步驟為：

(1)?在光電材料上復合電容材料，作為光陽極；

(2)?提供一光陰極；

(3)?將上述光陽極和光陰極短路連接置于電解液中。

用光照給納米線陣列電容器件充電，在充電過程中，加入不同濃度化學檢測物溶液，通過電流變化反應化學檢測物濃度。

放電過程中加入不同濃度化學檢測物溶液，通過光陽極電勢變化反應化學檢測物濃度。

所述的光電材料是TiO₂、ZnO、WO₃、Fe₂O₃中的一種或多種。

所述的電容材料是NiO、Ni(OH)₂、Co₃O₄、CoO、Co(OH)₂、MnO_x、Mn(OH)₂中的一種或多種。

所述的光陰極光電材料是Si、Cu₂O、GaP、InP中的一種或多種。

所述的電解液是Na₂SO₄、NaCl、K₂SO₄之一種。

所述的化學檢測物為葡萄糖、H₂O₂、H₂S之一種。

本發明的納米線陣列器件能利用太陽能光解水制氫，同時將光陽極的空穴能量作為贗電容電容器的化學能儲存起來，再可以通過電容器放電或者化學傳感器將改電容器能量釋放出來。

本發明的納米線陣列器件可應用于太陽能電池和化學傳感器。例如，以二氧化鈦復合氧化鎳納米線陣列為光陽極，硅納米線陣列為光陰極，0.5?M的硫酸鈉溶液為反應溶液，照射光強度為一個太陽光，照射截面積為可根據工作電極的面積大小調節。

本發明通過在光電材料上沉積贗電容材料，實現高效光解水制氫同時將光生空穴的能量儲存在贗電容電容器中。該納米線陣列器件具有制作工藝簡單，成本低，穩定性好，光電轉化效率高并對環境友好的特點，適合大面積生產，對于太陽能電池研究上具有重要意義，在新能源領域也具有很好的應用前景。

附圖說明

圖1：a–c為TiO₂納米線陣列上負載NiO納米片的電鏡照片；d為f圖為硅納米線陣列上負載鉑納米顆粒的電鏡照片。

圖2：為純TiO₂納米線陣列、純NiO納米片、TiO₂納米線陣列上負載氧化鎳納米片隨光照時間變化開路電勢的變化。

圖3：依次為純TiO₂納米線陣列、TiO₂納米線陣列負載NiO納米片光陽極、此光陽極光照充完電后狀態、此光陽極放電后狀態的照片，充電完之后光陽極變黑，放電后又恢復到原始顏色。