CN104576068A - 一种基于水空气体系的太阳能电池 - Google Patents

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张�浩
徐宏
张莉
王慧至
梁国熙
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Abstract

本发明一种基于水空气体系的太阳能电池，负载有纳米级光催化剂的导电玻璃与电解质及气体扩散电极构成水空气体系太阳能电池主体，气体扩散电极为阴极导线将电池内部产生的电能引出供外部用电器使用。本发明基于水空气体系的太阳能电池具有绿色，高效，环境友好等优点。区别于使用有毒物质作为工作介质的太阳能电池(燃料敏化太阳能电池，钙钛矿型太阳能电池)，水空气体系太阳能电池仅使用水和空气作为电子供体和受体，实现太阳能电能之间的高效转化。

Description

一种基于水空气体系的太阳能电池
【技术领域】
本发明涉及太阳能电池领域，具体为一种基于水空气体系的太阳能电池，其依靠光致电化学转化实现能量转化和电能输出的能源装置。
【背景技术】
光致电化学反应，是以光能为能量输入促使电化学反应发生，实现能量转换的过程。
水空气体系太阳能电池中的光催化剂在受到光辐射照射时，半导体光催化剂被激发，产生自由电子，并同时生成强氧化性空穴。自由电子能在半导体中自由移动并经由外电路导出形成电流做功，强氧化性空穴能将体系中的水氧化生成氧气和氢离子。电子和氢离子分别经过外电路和电解质达到阴极电极表面，在阴极，空气中的氧气通过扩散电极中的空隙达到电极表面与氢离子和电子发生氧还原反应，重新生成水。
目前的光催化剂能够有效吸收太阳光，光催化剂的禁带宽度越小，所能吸收的光谱范围越大。此外，价带的能态位置必须高于水的分解电位(1.229Vvs NHE)才能将水氧化。
电解质的作用是提供离子运输通道，保持电池内的电流导通状态。
气体扩散电极，允许气体但阻止液体通过电极。通过使用此类电极，能够在电化学反应过程中不断补充反应所需氧气。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于水空气体系的太阳能电池；该体系下的太阳能电池具有低成本，高效及环境友好等特点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明的构思为：将纳米级光催化剂负载在导电玻璃上，在获得优良的透光率的同时，极大提高光催化剂的比表面积，提高电池性能。采用气体扩散电池作为阴极，该种结构能直接利用空气中的氧气实现电化学循环。
一种基于水空气体系的太阳能电池，负载有纳米级光催化剂的导电玻璃与电解质及气体扩散电极构成水空气体系太阳能电池主体，气体扩散电极为阴极导线将电池内部产生的电能引出供外部用电器使用。
所述的水空气体系的太阳能电池将光能转化成电能。
所述的纳米级光催化剂负载在导电玻璃上；通过化学合成或物理涂覆等方法将纳米光催化剂负载到导电玻璃上；化学合成为水热法或者醇热法；物理涂覆为喷涂或者烧结。
所述的纳米级光催化剂为纳米棒状二氧化钛光催化剂。
所述的纳米级光催化剂在光能激发下产生电子空穴对，电子经导电玻璃和导线输送至外电路，空穴氧化水，产生氧气和氢离子。
所述的氢离子经电解质输运到气体扩散电极处。
所述的电子经由导线到达气体扩散电极处。
所述的空气中的氧气经由气体扩散电极达到电极表面。
所述的氢离子、电子和氧气在气体扩散电极处发生氧还原反应重新水，实现水空气体系太阳能电池的物质守恒。
所述的整个太阳能电池整体上不产生和消耗物质，实现将太阳能转换为电能的过程。
一种基于水空气体系的太阳能电池的制备方法：使用化学合成或物理涂覆等方法将纳米光催化剂负载到导电玻璃上，保证光催化剂与导电玻璃之间接触良好，并将导线从光阳极表面引出，采用水热法在导电玻璃上合成纳米棒状二氧化钛光催化剂；将制备好的光催化剂、电解质和气体扩散阴极封装成器，完成电池的制备过程。
如图1所示，当光催化剂受光照激发时，处于禁带的电极获得能量被激发到导带，同时留下带正电的空穴。空穴与水分子反应生成氢氧自由基，自由基继而分解生成氢离子和氧气。导带上的电子被阴阳两极之间的电势差驱动流过外电路并做功，最后到达阴极，与氢离子和氧分子发生氧还原反应，完成阴阳两极电化学循环。该体系中的反应总结如下：
阳极
TiO2+hv→TiO2(e-+h+)
h++2H2O→O2+4H++4e-
阴极
4e-+O2+4H+→2H2O
为了提高电池的效率及性能，本发明在阴极采用气体扩散电极。在阴极时刻补充氧气，防止电解质中的氧气不足。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明结构简单，成本低廉，制造方便，操作简便，光电能量转换率高于8％。
【附图说明】
图1是本水空气体系太阳能电池原理示意图；
图2是本水空气体系太阳能电池结构示意图。
图中1.负载纳米级光催化剂的导电玻璃(光阳极)；2.电解质池；3.气体扩散电极；4.阳极导线；5.阴极导线。
【具体实施方式】
以下提供本发明一种基于水空气体系的太阳能电池的具体实施方式。
实施例1
一种基于水空气体系的太阳能电池，负载有纳米级光催化剂的导电玻璃与电解质及气体扩散电极构成水空气体系太阳能电池主体，气体扩散电极为阴极导线将电池内部产生的电能引出供外部用电器使用。
所述的水空气体系的太阳能电池将光能转化成电能。
所述的纳米级光催化剂负载在导电玻璃上；通过化学合成或物理涂覆等方法将纳米光催化剂负载到导电玻璃上；化学合成为水热法或者醇热法；物理涂覆为喷涂或者烧结。
所述的纳米级光催化剂为纳米棒状二氧化钛光催化剂。
所述的纳米级光催化剂在光能激发下产生电子空穴对，电子经导电玻璃和导线输送至外电路，空穴氧化水，产生氧气和氢离子。
所述的氢离子经电解质输运到气体扩散电极处。
所述的电子经由导线到达气体扩散电极处。
所述的空气中的氧气经由气体扩散电极达到电极表面。
所述的氢离子、电子和氧气在气体扩散电极处发生氧还原反应重新水，实现水空气体系太阳能电池的物质守恒。
所述的整个太阳能电池整体上不产生和消耗物质，实现将太阳能转换为电能的过程。
在图1中，光阳极1，电解质池2及气体扩散电极3构成本水-空气体系太阳能电池的主体。阳极导线4自导电玻璃处引出，以导出光生电子，阴极导线5将电子导入阴极参与还原反应。空气从气体扩散电极3扩散入电池中。
电池制备过程：使用化学合成(水热法、醇热法等)或物理涂覆(喷涂、烧结等)等方法将纳米光催化剂负载到导电玻璃上，保证光催化剂与导电玻璃之间接触良好，并将导线从光阳极1表面引出，本实例采用水热法在导电玻璃上合成纳米棒状二氧化钛光催化剂。将制备好的光催化剂、电解质(本实例使用硫酸溶液)和气体扩散阴极封装成器，完成电池的制备过程。
电池操作过程为：光照射到光阳极1上的光催化剂，光催化剂被激发产生光生电子-空穴对，由于光催化阳极与阴极之间的电势差作用，光生电子被导线4导出到外电路，光生空穴与电解质池2中的水发生氧化反应，生成氧气和氢离子。光生电子和氢离子分别经外电路及电解质运动到阴极，空气中的氧气经过气体扩散电极3中的空隙达到阴极表面与电子和氢离子发生氧还原反应，重新生成水。整个体系不产生和消耗物质，能量由光能转化为电能。以本实例为例，水-空气体系太阳能电池最大能够产生2.4mA/cm2的电流，光电能量转换率达8％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于水空气体系的太阳能电池，其特征在于，负载有纳米级光催化剂的导电玻璃与电解质及气体扩散电极构成水空气体系太阳能电池主体，气体扩散电极为阴极导线将电池内部产生的电能引出供外部用电器使用。
2.如权利要求1所述的一种基于水空气体系的太阳能电池，其特征在于，所述的水空气体系的太阳能电池将光能转化成电能。
3.如权利要求1所述的一种基于水空气体系的太阳能电池，其特征在于，所述的纳米级光催化剂负载在导电玻璃上；通过化学合成或物理涂覆等方法将纳米光催化剂负载到导电玻璃上；化学合成为水热法或者醇热法；物理涂覆为喷涂或者烧结。
4.如权利要求1所述的一种基于水空气体系的太阳能电池，其特征在于，所述的纳米级光催化剂为纳米棒状二氧化钛光催化剂。
5.如权利要求1所述的一种基于水空气体系的太阳能电池，其特征在于，所述的纳米级光催化剂在光能激发下产生电子空穴对，电子经导电玻璃和导线输送至外电路，空穴氧化水，产生氧气和氢离子。
6.如权利要求5所述的一种基于水空气体系的太阳能电池，其特征在于，所述的氢离子经电解质输运到气体扩散电极处。
7.如权利要求5所述的一种基于水空气体系的太阳能电池，其特征在于，所述的电子经由导线到达气体扩散电极处。
8.如权利要求5所述的一种基于水空气体系的太阳能电池，其特征在于，所述的空气中的氧气经由气体扩散电极达到电极表面。
9.如权利要求5所述的一种基于水空气体系的太阳能电池，其特征在于，所述的氢离子、电子和氧气在气体扩散电极处发生氧还原反应重新水，实现水空气体系太阳能电池的物质守恒。
10.一种基于水空气体系的太阳能电池的制备方法，其特征在于，其具体步骤为，使用化学合成或物理涂覆等方法将纳米光催化剂负载到导电玻璃上，保证光催化剂与导电玻璃之间接触良好，并将导线从光阳极表面引出，采用水热法在导电玻璃上合成纳米棒状二氧化钛光催化剂；将制备好的光催化剂、电解质和气体扩散阴极封装成器，完成电池的制备过程。
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