專利名稱：三隔片光解池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用半導(dǎo)體-電解質(zhì)溶液接觸界面上的雙液結(jié)勢越光電化學(xué)效應(yīng)[1]將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能并特別適用于光解水制氫的光解池。
利用太陽能光解水制氫是解決世界能源問題的重要途徑之一，它將使人類從根本上擺脫依賴日益耗盡的化石能源的困境而進(jìn)入太陽能-氫能時代[2]。水的理論電解電壓為1.23v，但實(shí)際上，即使采用催化性能較好的多孔鎳電極來電解水也必須提供1.6v以上的外加電壓[3]。1970年，多本鍵一等人用Tio單晶半導(dǎo)體電極另加偏置電壓進(jìn)行了電助光解水[4]。1977年，小田桐優(yōu)等人用И-Tio2和P-Gap兩個半導(dǎo)體電極進(jìn)行了光解水[5]。1987年，A.J.Bard等人用5片半導(dǎo)體光隔片串聯(lián)進(jìn)行了光解水[6]。上述這些工作都是為了獲得光解水所必需的高光電壓，但都未能采用單一的半導(dǎo)體光電極而獲得光解水制氫所必需的高光電壓。1987年肖科(Ke Xiao)和田心棣(H Ti Tien)采用單片Cdse半導(dǎo)體光隔片獲得了大于1.8V的光電壓[7]，首次采用單片半導(dǎo)體光隔片獲得了光解水制氫所必需的高光電壓，為光解水制氫展現(xiàn)了光明的前景，但該光電化學(xué)電池的內(nèi)部反應(yīng)并未涉及水分解過程。
本發(fā)明的目的是獲得一種采用單片半導(dǎo)體光隔片即可獲得光解水制氫所必需的高光電壓并將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能從而實(shí)現(xiàn)光解水制氫的光解池。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用一片半導(dǎo)體光隔片、一片透-產(chǎn)隔片和一片背-產(chǎn)隔片將容納電解質(zhì)溶液的容器分隔為透光池、背光池和產(chǎn)物池，并且在透光池、背光池和產(chǎn)物池中分別充入不同種的電解質(zhì)溶液以構(gòu)成一種三隔片光解池，當(dāng)光束、尤其是可見太陽光束穿過透光器壁和透光池中電解質(zhì)溶液層照射到半導(dǎo)體光隔片上時，在光隔片與電解質(zhì)溶液的接觸界面上產(chǎn)生雙液結(jié)勢越光電化學(xué)過程，在獲得的高光電壓的推動下，在產(chǎn)物池中獲得兩種不同的光解產(chǎn)物，例如氫氣和氧氣。以下結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)特征做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。


圖1是三隔片光解池的結(jié)構(gòu)示意圖。
三隔片光解池由容納電解質(zhì)溶液的容器1、半導(dǎo)體光隔片2、背產(chǎn)隔片3、透-產(chǎn)隔片4組成。背-產(chǎn)隔片3和透-產(chǎn)隔片4是由金屬材料層和/或半導(dǎo)體材料層復(fù)合而成的，半導(dǎo)體光隔片2背-產(chǎn)隔片3和透-產(chǎn)隔片4通過絕緣板6相互絕緣并且分別與容器1的器壁相連、從而將容器1分隔為透光池7、背光池8和產(chǎn)物池9，透光池7、背光池8和產(chǎn)物池9中分別充入不同種電解質(zhì)溶液sol1、sol2和sol3。容器1的器壁至少應(yīng)是部分透光的，光束、尤其是可見太陽光束可穿過透光器壁和透光池7中的電解質(zhì)溶液sol1層照射到半導(dǎo)體光隔片2上并且在光隔片2、透-產(chǎn)隔片4和背-產(chǎn)隔片3與電解質(zhì)溶液sol1、sol2和sol3的接觸界面上產(chǎn)生光電化學(xué)過程，并在產(chǎn)物池9中獲得兩種不同的光解產(chǎn)物。如果要采用本發(fā)明三隔片光解池實(shí)現(xiàn)光解水制氫，則光解池的產(chǎn)物池9中的電解質(zhì)溶液sol3必須是電解質(zhì)水溶液，并在產(chǎn)物池9中設(shè)一與容器壁相連的隔膜5將產(chǎn)物池9分隔為氫氣室和氧氣室從而使光解產(chǎn)物氫氣和氧氣分隔開。上述三隔片光解池中的半導(dǎo)體光隔片2至少有以下4種形式(1)半導(dǎo)體光隔片是由單層半導(dǎo)體材料制成的薄片;(2)半導(dǎo)體光隔片是由兩層不同種的半導(dǎo)體材料復(fù)合而成的;(3)半導(dǎo)體光隔片是由一層半導(dǎo)體材料和一層金屬材料復(fù)合而成的，半導(dǎo)體材料層位于透光池一側(cè);(4)半導(dǎo)體光隔片是由兩層半導(dǎo)體材料和一層金屬材料復(fù)合而成的，金屬材料層位于兩層半導(dǎo)體材料之間，兩層半導(dǎo)體材料可以是同種半導(dǎo)體材料，也可以是不同種半導(dǎo)體材料。
本發(fā)明三隔片光解池由于半導(dǎo)體光隔片的兩側(cè)面分別與不同種電解質(zhì)溶液相接觸，可通過選擇背光池中的電解質(zhì)溶液來調(diào)整和控制半導(dǎo)體光隔片的能帶，使受光照的半導(dǎo)體表面空間電荷層能帶彎曲增大，從而獲得高光電壓(雙液結(jié)勢越光電化學(xué)效應(yīng));并且在所獲得的高光電壓的推動下，在產(chǎn)物池的兩片隔片壁上分別獲得兩種不同的光解產(chǎn)物。本發(fā)明人曾成功地利用三隔片光解池光解水制得氫氣和氧氣;所采用的半導(dǎo)體光隔片由單層Cdse半導(dǎo)體材料制成，其厚度為0.3μm;透-產(chǎn)隔片由Cos半導(dǎo)體材料層和多孔鎳(Ni)層復(fù)合而成，Cos半導(dǎo)體材料層位于透光池一側(cè)，多孔鎳層位于氧氣室一側(cè)，多孔鎳層的厚度為1mm;背-產(chǎn)隔片由金屬銀(Ag)片和多孔鎳(Ni)層復(fù)合而成，金屬銀片位于背光池一側(cè)，多孔鎳層位于氫氣室一側(cè)，多孔鎳層的厚度為1mm;透光池中的電解質(zhì)溶液為1N Na2S+1N NaOH水溶液，背光池中的講解質(zhì)溶液為0.5N AgИO3水溶液，產(chǎn)物池中的電解質(zhì)溶液為30%KOH水溶液;光照密度為300mw/cm2的白光穿過透光器壁和透光池中的電解質(zhì)溶液層照射到Cdse半導(dǎo)體光隔片上，受光照的Cdse半導(dǎo)體光隔片面積為1cm2;在氫氣室和氧氣室中分別獲得光解產(chǎn)物氫氣和氧氣，產(chǎn)氫速率為1.20ml/h·cm2，氫氧體積比為2.02∶1。
本發(fā)明三隔片光解池可以將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能并特別適用于光解水制氫;同時也適用于光解制其他有機(jī)產(chǎn)品或無機(jī)產(chǎn)品，例如，光解NaCl水溶液制氯氣和制堿等。
附
背景技術(shù)：
相關(guān)文獻(xiàn)目錄。1.KeXiao，“SemiconductorSeptumElectrochemicalPhotocellsⅡDoubteLiquidJunctionBarrierInjectjonandOransitPhotoelectrochemicatEffects”，ActaEnergiaeSolarrisSinica，3，(1988).
2.NewScientist，187，(1215)，585，(1980).
3.H.Gerischer，TopicsinAppl.Phys.，31，115(1979).
4.A.Fujishima，K.Honda，Nature(London)，238，37，(1972).
5.小田桐優(yōu)，日本公開特許公報，特開昭52-97377(1977).
6.E.S.Smotkin，S.Carvera-March，A.J.Bard，A.Campion，M.A.Fox，T.Mallouk，S.E.Webber，j.M.White，J.Phys.Chem.，91，6(1987).
7.KeXiao，HTiTien，“TheSemiconductorSeptumPhotoelectrochcmicalCells”，SolarCells，inpress，(1988).
8.KeXiao，“SemiconductorSeptumElectrochemicalPhotocellsⅣHydrogenManufactureofWaterPhotoelectrolysisbyaaStarCell”，ActaEnergiaeSotarisSinica，inpress(1988).
權(quán)利要求
1.一種利用半導(dǎo)體-電解質(zhì)溶液接觸界面的雙液結(jié)勢越光電化學(xué)效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的光電化學(xué)電池，由容納電解質(zhì)溶液的容器和半導(dǎo)體光隔片組成；所述半導(dǎo)體光隔片與容器壁相連并且將整個容器分隔為透光池和背光池兩部分，透光池和背光池中分別充入不同種電解質(zhì)溶液；容器壁至少是部分透光的，光束、尤其是可見太陽光束可穿過透光器壁和透光池內(nèi)的電解質(zhì)溶液層照射到半導(dǎo)體光隔片上并且在半導(dǎo)體光隔片與電解質(zhì)溶液的接觸界面上產(chǎn)生光電化學(xué)過程；本發(fā)明的特征是在所述容納電解質(zhì)溶液的容器內(nèi)鏨枰黃山鶚舨牧喜愫 或半導(dǎo)體材料層復(fù)合而成的透-產(chǎn)隔片和一片由金屬材料層和/或半導(dǎo)體材料層復(fù)合而成的背-產(chǎn)隔片，透-產(chǎn)隔片和背-產(chǎn)隔片相互絕緣并且與半導(dǎo)體光隔片絕緣，半導(dǎo)體光隔片、透-產(chǎn)隔片和背-產(chǎn)隔片分別與容器相連并且將整個容器分隔為透光池、背光池和產(chǎn)物池三個部分；透光池、背光池和產(chǎn)物池中分別充入不同種的電解質(zhì)溶液；光束、特別是可見太陽光束可穿過透光器壁和透光池中的電解質(zhì)溶液層照射到半導(dǎo)體光隔片上并且在光隔片與電解質(zhì)溶液的接觸面上產(chǎn)生光電化學(xué)過程，在產(chǎn)物池中分別得到兩種不同的電解產(chǎn)物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電化學(xué)電池，其特征是所述容器的產(chǎn)物池中充入電解質(zhì)水溶液，電解質(zhì)水溶液中有一與容器相連的隔膜將產(chǎn)物池分隔為氫氣室和氧氣室兩部分并且使光解產(chǎn)物氫氣和氧氣分隔開。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電化學(xué)電池，其特征在于所述半導(dǎo)體光隔片是由單層半導(dǎo)體材料制成的薄片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電化學(xué)電池，其特征在于所述半導(dǎo)體光隔片是由兩層不同種的半導(dǎo)體材料復(fù)合而成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電化學(xué)電池，其特征在于所述半導(dǎo)體光隔片是由一層半導(dǎo)體材料和一層金屬材料復(fù)合而成的，半導(dǎo)體材料層位于透光池一側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電化學(xué)電池，其特征在于所述半導(dǎo)體光隔片是由兩層半導(dǎo)體材料和一層金屬材料復(fù)合而成的，金屬材料層位于兩層半導(dǎo)體材料之間，兩層半導(dǎo)體材料可以是同種半導(dǎo)體材料，也可以是不同種半導(dǎo)體材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2和3所述的光電化學(xué)電池，其特征是所述半導(dǎo)體光隔片由單層Cdse半導(dǎo)體材料制成，其厚度為0.3μm，所述透-產(chǎn)隔片由Cos半導(dǎo)體材料層和多孔鎳(Ni)層復(fù)合而成，Cos半導(dǎo)體材料層位于透光池一側(cè)，多孔鎳層位于氧氣室一側(cè)，多孔鎳層的厚度約為1mm;所述背-產(chǎn)隔片由金屬銀(Ag)片和多孔鎳(Ni)層復(fù)合而成，金屬銀片位于背光池一側(cè)，多孔鎳層位于氫氣室一側(cè)，多孔鎳層的厚度為1mm;所述透光池中的電解質(zhì)溶液為1N Na2S+1N NaOH水溶液，背光池中的電解質(zhì)溶液為0.5N AgNo3水溶液;產(chǎn)物池中的電解質(zhì)溶液為30%KOH水溶液;光照密度為300mw/cm2的白光穿過透光器壁和透光池中的電解質(zhì)溶液層照射到Cdse半導(dǎo)體光隔片上，受光照的Cdse半導(dǎo)體光隔片面積為1cm2;在氫氣室和氧氣室中分別獲得光解產(chǎn)物氫氣和氧氣，產(chǎn)氫速率為1.20ml/h·cm2，氫氣與氧氣的體積比為2.02∶1。
全文摘要
三隔片光解池及一種將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能并特別適用于光解水制氫的光解池，由容器、半導(dǎo)體光隔片、透-產(chǎn)隔片、背-產(chǎn)隔片組成，三片隔片將容器分隔為透光池、背光池和產(chǎn)物池，三池中分別充入不同種電解質(zhì)溶液，光束可穿過透光器壁和透光池中電解質(zhì)溶液層照射到半導(dǎo)體光隔片上并在光隔片與電解質(zhì)溶液的接觸界面上產(chǎn)生光電化學(xué)過程，在產(chǎn)物池中得到兩種不同的光解產(chǎn)物。
文檔編號C25B9/00GK1036995SQ88102059
公開日1989年11月8日 申請日期1988年4月20日 優(yōu)先權(quán)日1988年4月20日
發(fā)明者肖科 申請人:中國科學(xué)院界面科學(xué)實(shí)驗(yàn)室