[发明专利]逆光电化学电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种逆光电化学电池，属于清洁可再生新能源利用领域。

背景技术

当今人类社会发展的最大挑战----能源危机和环境污染。经过19世纪和20世纪的两次工业革命，人类进入了先进工业和高度文明的现代社会。然而，工业社会的迅速发展也导致了能源的大量消耗。据估算，当今世界依赖的能源体系，也就是化石能源（包括煤炭、石油、天然气）仅仅能维持不过百年。而且，随着能源的不断稀少，开采新能源的难度和成本也大大增加，所消耗能量甚至会逼近或超越所获得的能源能量。再者，燃烧化石能源造成大量的碳排放和其他有害物质，空气污染，全球变暖，已严重影响到人类本身的居住和生活。

唯一的解决途径就是利用清洁可再生新能源。氢能被认为是下一代最有可能发展的替代能源，它含能高，方便携带与使用，且无污染、零碳排放。随着技术的发展，除了在工业生产中的传统大规模应用，氢气也越来越多的应用在了诸如燃料电池、氢能源汽车等民生领域。然而目前世界上96%的氢能同样来源于天然气、石油等非可再生能源的消耗转化，比如目前美国的年度氢产量95%是通过甲烷蒸汽转化技术生产的。水是由氢和氧组成的，氢含量丰富，并且水在地球上体积巨大，通过电解水制得氢和氧是一种理想的途径，然而目前全球仅仅3.9%的氢是由水电解获得，而且现有技术耗能巨大，所需电能同样是由化石能源产生来的，发展潜力有限。所以利用太阳能、风能等清洁可再生能源，从地球含量丰富的水中获得电能或氢能被认为是今后可持续发展的最好途径，也已经成为当今科学工业界研究的热点之一。

光电化学电池（PEC）就是通过利用太阳光来分解水制取氢气的一种非常有前景的可再生能源生产方式。典型的传统PEC电池由两个插在电解液中的电极组成，也就是阳极和阴极，而两电极至少有一个须为具有光催化活性的半导体光电极，另外一个可以为金属电极，也可以同样为光电极。光电极在光照射下产生光生电子-空穴对，继而产生光生电流和光生电压，使水分子分别在阳极和阴极上分别发生氧化和还原反应，制得氧气和氢气，完成太阳能-化学能的转化。一直以来，光阳极采用的均是n型半导体，这样的话光照下激发电子向阴极移动使得氢气在阴极上还原产生，而空穴向电极溶液界面移动使得氧气在光阳极上产生。同理光阴极均采用的是p型半导体。目前，这种传统的PEC电池一般是同时以太阳光和外加电压为能源，在低于1.23V的电压下即可以分解水，也就是低于电解水的最小理论电压。这就是PEC相比于普通直接电解水的优势，即在较低的电压下获得电流以分解水制氢。很多半导体材料被作为光电极进行了研究，研究广泛的光阳极材料包括n-TiO₂，n-Fe₂O₃，n-ZnO，n-WO₃，光阴极材料包括p-Si，p-Cu₂O，p-GaP，p-GaInP₂，p-CuGaSe₂等。尽管经过多年的发展，这些材料的性能得到了很大的优化和提高，但是由于种种原因最终的转换效率或稳定性还是达不到实际应用水平。PEC电池在发现30多年后，效率依然很低，目前一般在1%左右，离大规模应用甚远。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有PEC电池转化效率低的问题，提供一种逆光电化学电池。本发明是基于n型光阴极和p型光阳极组成的新型的用于太阳能制氢的逆光电化学电池，这种电池类型可以实现比以往传统PEC电池更好的性能。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

本发明的逆光电化学电池，其结构与现有技术的PEC电池相似，但其工作原理却与现有技术的PEC电池相反；主要由p型半导体、n型半导体、对电极、电解液以及外电路组成；其中p型半导体为光阳极，n型半导体为光阴极；工作时，将p型半导体光阳极施加正向电压，即将p型半导体光阳极与外电源的正极相连，将n型半导体光阴极施加负向电压，即将n型半导体光阴极与外电源的负极相连；我们将这种电池命名为逆光电化学电池（英文Inverse PEC，可简写为IPEC）。

电池中阳极和阴极的组合包括：p型半导体光阳极和对电极阴极组合、n型半导体光阴极和对电极阳极组合、p型半导体光阳极和n型半导体光阴极组合。

所述p型半导体光阳极为施加正向电压的具有光电响应能力的p型半导体材料光阳极，此电极处发生阳极反应，即氧化反应。包括p型氧化铜，p型磷化镓，p型铜铟硒，p型氧化亚铜，p型硅等。