CN1036994A - 双隔片光解池 - Google Patents

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肖科
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Abstract

双隔片光解池涉及一种将光能直接转变为化学 能并特别适用于光解水制氢的光解池，由容器、半导 体光隔片和复合隔片组成，光隔片和复合隔片相互绝 缘并分别与器壁相连，从而将容器分隔为透光池和背 光池，透光池和背光池中分别充入不同种电解质溶 液，光束可穿过透光器壁和透光池中的电解质溶液层 照射到半导体光隔片上并且在光隔片与电解质溶液 的接触界面上产生光电化学过程，在透光池和/或背 光池中获得光解产物。

Description

本发明涉及一种利用半导体-电解质溶液接触界面上的双液结势越光电化学效应[1]将光能直接转变为化学能并特别适用于光解水制氢的光解池。
利用太阳能光解水制氢是解决世界能源问题的重要途径之一，它将使人类从根本上摆脱依赖日益耗尽的化石能源的困境而进入太阳能-氢能时代[2]。水的理论电解电压为1.23v，但实际上，即使采用催化性能较好的多孔镍电极来电解水也必须提供1.6v以上的外加电压[3]。1970年，多本键一等人用TiO2单晶半导体电极另加偏置电压进行了电助光解水[4]。1977年，小田桐优等人用И-Ti O2和P-Gap两个半导体电极进行了光解水[5]。1987年，A.J.Bard等人用5片半导体光隔片串联进行了光解水[6]。上述这些工作都是为了获得光解水所必需的高光电压，但都未能采用单一的半导体光电极而获得光解水制氢所必需的高光电压。1987年，肖科（Ke-Xiao）和田心棣（H Ti Tien）采用单片Case半导体光隔片获得了大于1.8v的光电压[7]，首次采用单片半导体光隔片获得了光解水制氢所必需的高光电压，为光解水制氢展现了光明的前景，但该光电化学电池的内部反应并未涉及水分解过程。
本发明的目的是获得一种采用单片半导体光隔片即可获得光解水制氢所必需的高光电压并将光能直接转变为化学能从而实现光解水制氢的光解池。
为了实现上述目的，本发明采用一片半导体光隔片和一片复合隔片将容纳电解质溶液的容器分隔为透光池和背光池，并在透光池和背光池中分别充入不同种的电解质溶液以构成一种双隔片光解池，当光束、尤其是可见太阳光束穿过透光器壁和透光池中电解质溶液层照射到半导体光隔片上时，在光隔片与电解质溶液的接触界面上产生双液结势越光电化学过程，在获得的高光电压的推动下，在透光池和/或背光池中获得两种不同的光解产物，例如氢气和氧气。以下结合具体实例对本发明的技术特征做进一步的详细说明。
图1是双隔片光解池的结构示意图。
双隔片光解池由容纳电解质溶液的容器1、半导体光隔片2、复合隔片3组成。复合隔片3是由金属材料和/或半导体材料层复合而成的，半导体光隔片2和复合隔片3通过绝缘板4互相绝缘。半导体隔片2和复合隔片3分别与容器壁相连并且将整个容器1分隔为背光池5和透光池6，透光池6和背光池5中分别充入不同种电解质溶液sol1和sol2。容器1的器壁至少应是部分透光的，光束、尤其是可见太阳光束可穿过透光器壁和透光池6中的电解质溶液Sol1层照射到半导体光隔片2上并且在光隔片2与电解质溶液Sol1和Sol2的接触界面上产生光电化学过程，并在透光池6和/或背光池5中获得两种不同的光解产物。如果要采用本发明实现光解水制氢，则光解池的透光池和背光池中的电解质溶液必须是电解质水溶液。上述双隔片光解池中的半导体光隔片至少有以下4种形式：（1）半导体光隔片是由单层半导体材料（例如CdSe半导体材料）制成的薄片;（2）半导体光隔片由两层不同种半导体材料复合而成;（3）半导体光隔片由一层半导体材料和一层金属材料复合而成，半导体材料位于透光池一侧;（4）半导体光隔片由两层半导体材料和一层金属材料复合而成，金属材料层位于两层半导体材料之间，两层半导体材料可以是同种半导体材料，也可以是不同种半导体材料。
本发明由于半导体光隔片的两侧面分别与两种不同的电解质溶液相接触，可以通过选择背光池中的电解质溶液来调整和控制半导体光隔片的能带，使受光照的半导体表面空间电荷层能带弯曲增大，从而获得较高的光电动势（即双液结势越光电化学效应），并且在获得的较高光电动势的推动下在透光池和/或背光池中获得两种不同的光解产物。因此，本发明双隔片光解池可以将光能直接转变为化学能并特别适用于光解水制氢;同时也适用于光解制其他有机或无机产品，例如，光解NaCl水溶液制氯气和制碱等。
附背景技术相关文献目录。
1.Ke    Xiao，“Semiconductor    Septum    Electrochemical    Photoceils    H：Double    Liquid    Junction    Barrier    Injection    and    Transit    Photoelectrochemical    Effects”，Acta    Energiae    Solarris    Sinica，3，（1988）.
2.New    Scientisl，187，（1215），585，（1980）.
3.H.Gerischer，Topics    in    Appl.Phys.31，115（1979）.
4.A.Fujishima，K.Honda，Nature（London），238，37，（1972）.
5.小田酮优，日本公开特许公报，特开昭52-97377（1977）。
6.E.S.Smotkin，S.Cervera-March，A.J.Bard，A.Campion，M.A.Fox，T.Mallouk，S.E.Webber，J.M.White，J.Phys.Chem.，91，6（1987）.
7.Ke    Xiao，H    Ti    Tien，“The    Semiconductor    Septum    Phoioelectrochemical    Cells”，Solar    Cells.in    press，（1988）.

Claims (6)

1、一种利用半导体--电解质溶液接触界面上的双液结势越光电化学效应将光能直接转变为化学能的光电化学电池，由容纳电解质溶液的容器和半导体光隔片组成；所述半导体光隔片与容器壁相连并且将整个容器分隔为透光池和背光池两部分，透光池和背光池中分别充入不同种电解质溶液；容器壁至少是部分透光的，光束、尤其是可见太阳光束可以穿过透光器壁和透光池内的电解质溶液层照射到半导体光隔片上并且在半导体光隔片与电解质溶液的接触界面上产生光电化学过程；本发明的特征是在所述容纳电解质溶液的容器内增设一片由金属材料层和/或半导体材料层复合而成的复合隔片，该复合隔片与半导体光隔片绝缘，复合隔片和半导体光隔片分别与容器壁相连并且将整个容器分隔为透光池和背光池，透光池和背光池中分别充入不同种的电解质溶液；光束、尤其是可见太阳光束可穿过透光器壁和透光池中的电解质溶液层照射到半导体光隔片上并且在光隔片与电解质溶液的接触界面上产生光电化学过程，在透光池和/或背光池中获得两种光解产物。
2、根据权利要求1所述的光电化学电池，其特征是所述透光池和背光池中的电解质溶液为电解质水溶液。
3、根据权利要求1所述的光电化学电池，其特征是所述半导体光隔片是由单层半导体材料制成的薄片。
4、根据权利要求1所述的光电化学电池，其特征是所述半导体光隔片是由两层不同的半导体材料复合而成的。
5、根据权利要求1所述的光电化学电池，其特征是所述半导体光隔片是由一层半导体材料和一层金属材料复合而成的，半导体材料位于透光池一侧。
6、根据权利要求1所述的光电化学电池，其特征是所述半导体光隔片是由两层半导体材料和一层金属材料复合而成的，金属材料层位于两层半导体材料之间，两层半导体材料可以是同种半导体材料，也可以是不同种半导体材料。
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