[發明專利]一種面向光解水制氫的集成器件及其制作方法

有效

• 申請號: 201610387877.X
• 申請日: 2016-06-02
• 公開（公告）號: CN107464881B
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 廖廣蘭;孫博;史鐵林;湯自榮;劉智勇;吳悠妮
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;C25B1/04
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 梁鵬

本發明屬于太陽能利用相關領域，其公開了一種面向光解水制氫的集成器件及其制作方法，所述集成器件包括光陽極、鈣鈦礦太陽能電池及光陰極，其特征在于：所述光陽極與所述鈣鈦礦太陽能電池的透明導電基底絕緣貼合，并與所述鈣鈦礦太陽能電池的對電極電性連接；所述光陽極吸收紫外光及一部分可見光，另一部分可見光穿過所述光陽極激發所述鈣鈦礦太陽能電池產生偏壓；所述對電極形成在所述鈣鈦礦太陽能電池的鈣鈦礦層或空穴傳輸層上，并與所述光陰極絕緣貼合，所述光陰極與所述鈣鈦礦太陽能電池的透明導電基底電性連接。本發明的集成器件的光陽極及太陽能電池利用太陽光光譜中的不同部分，提高了光轉化效率，且無需外界輔助即可獨立實現光解水制氫。

技術領域

本發明屬于太陽能利用相關領域，更具體地，涉及一種面向光解水制氫的集成器件及其制作方法。所述面向光解水制氫的集成器件適用于太陽能的利用，其無需外界輔助，能夠獨立實現光解水制氫，提高了光利用率，有利于光解水制氫技術的推廣應用。

背景技術

隨著全球經濟的迅猛發展，對能源的需求越來越大。目前全球能源供給主要依賴于傳統的化石能源，但化石能源儲量有限，并且在燃燒利用的同時會排放各類有害氣體，造成全球氣候日趨惡化，且傳統化石能源難以維系全球經濟、社會的可持續發展。氫能源作為一種典型的二次能源具有能量密度高、無毒污染、利用形式多等諸多優點，并且是燃料電池的理想燃料，轉化效率較高。建立以氫能源為基礎的循環經濟，很大程度上可以解決目前所面臨的環境污染問題和經濟可持續發展問題。太陽能取之不盡用之不竭，是一種清潔的、可再生的能源。利用太陽能實現光解水制氫將是推動經濟發展，解決環境與能源危機的重要途徑。

實現光解水制氫的關鍵在于光電極的制備，合適的能帶結構及良好的化學穩定性是光電極的必備條件。考慮到自由能的變化以及氧化還原反應動力學的要求，將H₂O分解為H₂和O₂至少需要1.8～2.0V的光電壓。理論上這個值可以通過選取具有合適的導帶和價帶的半導體材料在可見光的照射下實現，一種半導體吸收2個光子產生一個H₂分子。然而，事實證明設計這樣一種既能夠產生具有高光電壓的載流子且具有合適的能帶結構驅動水的分解的體系是比較困難的。增加帶隙會產生較高的光電壓，但這會降低對太陽光的吸收率，降低光電流。這種基于單一半導體的體系不可避免的面臨著這種動力學上的限制，同時也經常受到化學穩定性的困擾。因此，一種比較明智的方式是：由半導體復合體系利用4個電子產生一個H₂分子實現光解水制氫。

納米異質結構在光譜利用方面展現出了良好的性能，但其電子傳輸仍然需要借助于外界偏壓以提高其光轉化效率，限制了光解水制氫技術的推廣應用。相應地，本領域存在著開發可獨立高效實現光解水制氫的集成器件及其制作方法的技術需求。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種面向光解水制氫的集成器件及其制作方法，所述集成器件結合半導體符合理念，并對光陽極的結構及其連接關系進行設計。所述集成器件的光陽極及太陽能電池利用太陽光譜中的不同部分，提高了光轉化效率，無需外界輔助，能夠獨立實現光解水制氫，有利于光解水制氫技術的推廣應用。

為實現上述目的，本發明提供了一種面向光解水制氫的集成器件，其包括光陽極、鈣鈦礦太陽能電池及光陰極，其特征在于：

所述光陽極與所述鈣鈦礦太陽能電池的透明導電基底絕緣貼合，并與所述鈣鈦礦太陽能電池的對電極電性連接；所述光陽極采用帶隙在2.5eV以上的半導體活性材料薄膜，所述薄膜厚度小于3μm，使得所述光陽極吸收紫外光而讓50％以上的可見光通過，通過所述光陽極的可見光激發所述鈣鈦礦太陽能電池產生偏壓；

所述對電極與所述光陰極絕緣貼合，所述光陰極與所述鈣鈦礦太陽能電池的透明導電基底電性連接。