[发明专利]一种储能器件集成式光电化学水分解电池的设计方法

说明书

本发明涉及光电化学电池领域，具体为一种储能器件集成式光电化学水分解电池的设计方法。以n型半导体光阳极连接储能器件负极，p型半导体光阴极连接储能器件正极，利用质子交换膜将电极隔离在不同电解液中，构成储能器件集成式光电化学水分解电池。n型半导体光阳极受光激发产生的光生空穴扩散至表面将水氧化释放出氧气，而光生电子则通过外电路转移至储能器件负极实现对负极充电；p型半导体光阴极受光激发产生的光生电子将水还原释放氢气，而光生空穴通过外电路转移至储能器件正极实现正极充电。本发明将传统光电化学电池中在外电路直接复合的光生电荷以电能形式储存在储能器件中，有效提高了太阳能的转化利用效率。

技术领域

本发明涉及光电化学电池领域，具体为一种储能器件集成式光电化学水分解电池的设计方法。

背景技术

光电化学水分解电池利用太阳能将水分解释放氢气，将太阳能以氢键的形式固定转化，是太阳能转化和存储的有效途径之一。光电化学水分解全电池包括n型半导体光阳极和p型半导体光阴极，构筑高效的光电化学水分解全电池是实现水在太阳光照下自发全分解的关键。

光电化学水分解全电池的基本原理类似于Z型电荷转移机制，高能量的光生电子和空穴分别迁移至光阴极和光阳极表面，诱导水的分解反应，而低能量的光生电子和空穴直接在外电路复合。整个过程为吸收两个光子产生一对有效光生电子和空穴，因此太阳能的利用效率显著折损。

发明内容

本发明的目的在于提出一种储能器件集成式光电化学水分解电池的设计方法，通过集成式器件的设计，可实现太阳能利用效率的显著提升。

本发明的技术方案是：

一种储能器件集成式光电化学水分解电池的设计方法，以n型半导体光阳极连接储能器件负极，p型半导体光阴极连接储能器件正极，利用质子交换膜将电极隔离在不同电解液中，构成储能器件集成式光电化学水分解电池。

所述的n型半导体光阳极，优选TiO₂、WO₃、BiVO₄、Fe₂O₃、Ta₃N₅、TaON之一或两种以上的复合材料。

所述的p型半导体光阴极，优选Cu₂O、GaP、WSe₂、InP之一或两种以上的复合材料。

所述的储能器件为各种电化学储能器件。

所述的储能器件，优选电容器、氧化还原电对液体流动电池或锂硫电池。

所述的电解液为水系电解液或有机系电解液，电解液的pH值0～14；其中，n型半导体光阳极优选浸入pH值7～14的电解液中，p型半导体光阴极优选浸入pH值0～7的电解液中。

所述的n型半导体光阳极，以Co(OH)₂、Co₃O₄、Co-Pi或NiO_x产氧的助催化剂修饰，修饰过程如下：利用溶液离子反应法、原子层沉积法、激射镀膜法、电沉积法、溶胶旋涂法或热喷涂法，在n型半导体光阳极表面担载沉积上述产氧助催化剂的纳米颗粒或薄膜。

所述的p型半导体光阴极，以Pt、RuO₂或MoS₂产氢的助催化剂修饰，修饰过程如下：利用溶液离子反应法、原子层沉积法、激射镀膜法、电沉积法、溶胶旋涂法或热喷涂法，在p型半导体光阳极表面担载沉积上述产氢助催化剂的纳米颗粒或薄膜。

本发明的设计思想是：