光电化学装置和电极制造方法及图纸

在一个方面，本发明专利技术提供用于通过电解分解水的光电化学（ＰＥＣ）电极或光电极。光电极具有接触电解质溶液的导电表面。这种表面为掺杂氧化锡层，其与ＰＥＣ光电极的半导体太阳能电池材料电接触。在本发明专利技术的变体中，在掺杂氧化锡层和半导体材料之间布置另一层具有透明、抗反射和导电性质的金属氧化物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于太阳能光电解水产生氢气的光电化学(PEC)装置。
技术介绍
目前产生氢气的主要方法是甲烷的蒸汽转化。制造氢气的另一种方是水的电解。电解需要的电主要来自电力网，电网电力的主要来源即化石燃料的燃烧产生排放物，如氮氧化物和颗粒物质，以及二氧化碳。消除这种排放物的一种方法是使用太阳能产生的电力电解水制造氢气。目前，努力已集中到提高制氢方法的效率、持久性和成本上。但是，与通过甲烷的蒸汽转化生产氢气相比，由太阳能电池组成的发电系统和将水离解成氢气和氧气的电解槽是昂贵的。专利技术概述在一个方面，本专利技术提供用于通过电解分解水的光电化学(PEC)电极或光电极。光电极具有接触电解质溶液的导电表面。这种表面为掺杂氧化锡层，其与PEC光电极的半导体太阳能电池材料电接触。这类半导体太阳能电池优选为三结非晶硅(a-Si)太阳能电池。电解质溶液通过腐蚀和溶解作用侵蚀包括一些金属和金属氧化物的多种表面。对于电解质溶液的侵蚀，掺杂氧化锡层是坚固的。掺杂氧化锡材料为透明导电氧化物(TCO)，因此，它是导电和透明的。这种掺杂氧化锡优选为氟掺杂的氧化锡(SnO2:F)。在本专利技术的一种变体中，另一具有透明、抗反射和导电性质的金属氧化物层布置在搀杂氧化锡层和非晶态半导体材料之间。与搀杂氧化锡层相比，这种内部金属氧化物层对电解质溶液的侵蚀可能不太坚固。这种内部金属氧化物层在搀杂氧化锡层之前被沉积在太阳能电池上。这种内部层优选为氧化铟锡(ITO)，其一般用做抗反射涂层。ITO也为TCO材料。因此，在这种实施方案中，有两个TCO层。在另一实施方案中，光电极的半导体材料覆盖有透明、抗反射、导电的金属氧化物层，这种层通过覆盖有非导电的透明材料优选不透电解质溶液的玻璃、聚合物或塑料受到保护。非晶态半导体层具有周缘表面和导电材料，在一种实施方案中，导电材料与半导体层周缘表面的至少一部分接触，并与TCO层接触。导电材料优选由金属、金属聚合物复合材料或导电密封剂组成。利用这种布置，提供从半导体层到TCO层然后到暴露于电解质溶液的导电材料的导电路径。透明绝缘层保护TCO层不与侵蚀性电解质溶液接触。本专利技术适用的更多领域将在下面提供的详细描述中变得明显。应认识到，详细描述和具体的实施例在显示本专利技术的优选实施方案时，仅用于说明目的，并不用于限制专利技术范围。附图简述从详细描述和附图中将能更充分地理解本专利技术，其中附图说明图1为光电化学(PEC)装置的示意截面图，装置包括安装在容器中的光电极和反电极，容器内具有碱性(碱性电解质)水溶液；PEC电极具有面向透明玻璃罩的涂有ITO的主表面。图2为光电化学(PEC)装置的示意截面图，装置包括安装在容器中的光电极和反电极，容器内具有碱性水溶液；PEC电极具有面向涂有掺杂氧化锡的透明玻璃罩的涂有ITO的主表面。图3为光电化学(PEC)装置的示意截面图，装置包括安装在容器中的光电极和反电极，容器内具有碱性水溶液；PEC电极具有涂有ITO的主表面，掺杂氧化锡涂层覆盖ITO涂层。优选这种掺杂氧化锡涂层直接被沉积在ITO涂层上。图4为光电化学(PEC)装置的示意截面图，装置包括安装在容器中的光电极和反电极，容器内具有碱性水溶液；PEC电极具有涂有掺杂氧化锡的主表面。图5为光电化学(PEC)装置的示意截面图，装置包括安装在容器中的光电极和反电极，容器内具有碱性水溶液；PEC电极具有涂有ITO的主表面，玻璃衬底全部侧面上涂有覆盖ITO涂层的掺杂氧化锡。图6类似于图2，除了电绝缘环氧树脂不覆盖导电金属-环氧树脂密封剂。优选实施方案详述下面的优选实施方案描述实际上仅仅是示例性的，不用于以任何方式限制本专利技术、它的应用或用途。在本专利技术的一个方面，提供用于电解水产生氢气的光电化学(PEC)装置。PEC装置包括装有光电化学(PEC)电极(光电极)、反电极和电解质溶液的容器。在PEC装置的优选方面，涂有TCO的光电极为阳极，并产生氧，而反电极为阴极，并产生氢。光电极和反电极在容器中彼此隔开，每个电极都与电解质溶液接触。优选地，反电极包括在还原条件下在阴极处稳定并具有用于产生氢的低过电压的金属如Pt或Ni。电解质溶液包括溶剂，其优选包括水，和溶质，其优选包括碱。在一种优选实施方案中，电解质为碱性(碱性)水溶液。使用酸代替碱也是可以的。不建议酸是因为腐蚀问题，但在电解质溶液中使用酸或中性盐代替碱在本专利技术的范围内。在光电极和反电极之间提供外部(不在溶液中)导电路径。光电极包括半导体层，一般并优选三结a-Si，具有第一和第二主表面。第一主表面为导电衬底。在优选布置中，第一主表面为不锈钢(s s)，在其上面沉积一层银、一层ZnO2、然后是三层n-型、i-型和p-型半导体材料(参见Deng和Schiff，2003，“Amorphous SiliconBased Solar Cells”，12章505-565页中，在Handbook ofPhotovoltaic Engineering中，A.Luque & S.Hegedus编辑，JohnWiley & Sons，Ltd.，出版，该章由Deng和Schiff在2002年单独公布在Xunming Deng的网站http//www.physics.utoledo.edu/～dengx/papers/deng03a.pdf上)。第二主表面为与第一金属氧化物层接触的坚固透明导电和透明金属氧化物层，第一金属氧化物层包括第一透明、抗反射和导电的金属氧化物材料。第二或外部金属氧化物层包括第二透明的导电材料。这个第二层靠近半导体的第二主表面。第二金属氧化物层与第一金属氧化物层导电接触布置；并且第二金属氧化物层在碱性溶液中比第一金属氧化物层更稳定。优选地，第二层形成气态电解产物一般是氧气在该处形成的电极表面。在优选的方面中，第一金属氧化物材料(第一TCO)包括称为ITO的氧化铟锡In2O3:SnO2。第二金属氧化物材料(第二TCO)为氟掺杂的氧化锡(SnO2:F)。SnO2:F与第一TCO层导电接触布置，并在第一TCO层和电解质溶液之间。在另一相关方面中，本专利技术提供包括半导体层的光电极，其中半导体层具有与导电衬底接触的第一主表面和与透明导电的掺杂氧化锡(SnO2)层接触的第二主表面；其中半导体包括光电a-Si三结材料。在另一实施方案中，本专利技术提供包括半导体层的光电极，其中半导体层具有与导电衬底接触的第一主表面和与透明导电金属氧化物(TCO)层接触的第二主表面。透明绝缘层靠近TCO层，并被布置在PEC装置的TCO层和电解质溶液之间。半导体具有由厚度限定的周缘表面，导电材料与半导体层周缘表面的至少一部分接触，并与TCO层接触。周缘表面也称为外部表面或边。优选地，导电材料形成其中气态电解产物在该处形成的电极表面。在进一步描述本专利技术前，理解常规设计的局限性是有用的。通过光电解产生氢气和氧气发生在电池中，其中电解质可为酸性、碱性或中性的。电池的布置和电极的设计将至少部分上由电解质的性质决定。典型地，使用光电化学电池产生氢气需要光电极，和至少一个对光电极的反电极。光电极和它的反电极都布置在具有电解质的合适容器中，电解质提供氢源和有助于电解的合适离子物种。电化学电池一般使用金属电极如Pt或Ni作为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电极，包括半导体层，该半导体层具有与导电衬底接触的第一主表面、与透明导电金属氧化物（ＴＣＯ）层接触的第二主表面、靠近所述第二主表面的透明导电的掺杂氧化锡（ＳｎＯ↓［２］）层，所述掺杂ＳｎＯ层与所述ＴＣＯ层导电接触布置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：TL吉布森，NA凯利，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]