DE102022121924A1 - Photoelektrische Zelle mit Siliziumkarbidelektrode und Herstellungsverfahren dafür - Google Patents

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Abstract

Offenbart sind eine photoelektrische Zelle mit einer Siliziumkarbidelektrode (4) zur photokatalytischen Produktion von Wasserstoff und ein Herstellungsverfahren dafür. Die Zelle weist auf einer Seite der Siliziumkarbidelektrode (4) ein Fenster (2) zum Einfall von Licht (5) und auf der anderen Seite der Siliziumkarbidelektrode (4) einen wässrigen Elektrolyten (10) und eine Gegenelektrode (6) auf. Auf der dem Fenster zugewandten Seite der Siliziumkarbidelektrode (4) ist die Zelle Elektrolyt-frei. Die Siliziumkarbidelektrode (4) ist vorzugsweise durch Beschichten eines Substarts (3) mit Siliziumkarbid (4) hergestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine photoelektrische Zelle mit einer Siliziumkarbidelektrode zur photokatalytischen Produktion von Wasserstoff und ein Herstellungsverfahren dafür.
  • Seit langem wird an der Bereitstellung von Wasserstoff als Energieträger gearbeitet, ohne dass bisher ein Durchbruch zur breiten Anwendung erzielt wurde.
  • EP 3268512 B1 offenbart eine photoelektrische Zelle zur Produktion von Wasserstoff durch elektrolytische Spaltung von Wasser bei Bestrahlung mit Sonnenlicht (Photokatalyse). Die Zelle enthält eine SiC-Elektrode, in der das Sonnenlicht Ladungsträger und einen elektrischen Stromfluss erzeugt, der die elektrolytische Spaltung des Wassers bewirkt. Die SiC-Elektrode weist eine poröse Faserstruktur auf. Diese Struktur soll eine große Oberfläche bereitstellen und wird durch Transformation von Kohlenstoff-Fasern in Siliziumkarbid in einem Verfahren beispielsweise nach EP 2094622 B1 hergestellt.
  • Sowohl EP 3268512 B1 als auch andere bekannte Anordnungen sind mit dem Nachteil behaftet, dass das Sonnenlicht zunächst eine mehrere Millimeter dicke Glasplatte und dann eine Wasserschicht durchqueren muss, bevor es das aktive Material aus SiC erreicht. Glas und Wasser absorbieren bedeutende Anteile des Sonnenspektrums, die der Photokatalyse dann nicht mehr zur Verfügung stehen. Die Photokatalyse zur Spaltung von Wasser kann mit Photonenenergien ab etwas mehr als 2 eV betrieben werden, übliches Glas absorbiert Sonnenlicht merklich ab etwa 3,5 eV. Der nutzbare Teil des Sonnenlichtspektrums ist daher auf etwa den Bereich von 2 bis 3,5 eV begrenzt. Außerdem werden durch übliches Glas erhebliche Anteile des Sonnenlichts über den gesamten Spektralbereich reflektiert und gehen der Photokatalyse verloren.
  • Weiterhin sind im bekannten Herstellungsverfahren die Kohlefasern der Elektroden nur oberflächlich in SiC transformiert. Kohlefasern einer Dicke von beispielsweise 10 um weisen an ihrer Oberfläche nur eine etwa 2 - 3 um dünne Schicht aus SiC auf, in der nur ein Teil des einfallenden Lichts photokatalytisch wirksam absorbiert wird. Der Kern der Fasern ist untransformierter Kohlenstoff und opak. Der dort absorbierte Teil des Lichts führt lediglich zur Erwärmung der Elektrode und geht der Photokatalyse verloren. Die angestrebte Oberflächenvergrößerung durch Porosität der Faserstruktur schafft hier kaum Abhilfe. Die Porosität liegt typischerweise bei nur etwa 50%.
  • Ein weiterer Nachteil der bekannten Elektroden sind die grundsätzlich hohen Übergangswiderstände innerhalb der Elektrode wegen der Faserstruktur, was zu signifikanten elektrischen Verlusten führt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Technik bereitzustellen, die die photokatalytische Produktion von Wasserstoff mit besserem Wirkungsgrad erlaubt.
  • Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit der photoelektrischen Zelle sowie dem Herstellungsverfahren, die in den beiliegenden Patentansprüchen angegeben sind.
  • Die Erfindung nutzt eine Photoelektrode in Form einer Schicht aus 3C-SiC oder amorphem SiC. 3C-SiC (kubisches Siliziumkarbid) mit einer Bandlücke von 2,36 eV ist geeignet, ohne zusätzliches Anlegen einer elektrischen Spannung, nur durch Bestrahlung mit Sonnenlicht effizient Ladungsträger einer ausreichenden Energie zu erzeugen, um elektrolytisch Wasser zu spalten. Dabei wird das Spektrum des Sonnenlichts effizient genutzt. Ähnliches gilt für amorphes SiC, das eine Bandlücke von etwa 2,2 eV aufweist. 4H-SiC und 6H-SiC (hexagonal) dagegen weisen eine Bandlücke von 3.27 eV und 3.03 eV auf, absorbieren daher nur kurzwelligeres Licht und nutzen das Spektrum des Sonnenlichts weniger effizient. Bei der Schicht kann es sich um eine eigenständige Platte oder eine Beschichtung eines Substrats mit SiC handeln, beispielsweise eines Substrats aus Metall, Graphit, Kunststoff, Glas, o.ä. mit nano- bzw. mikrokristallinem 3C-SiC oder amorphem SiC. Die SiC-Schicht kann undotiert, p-dotiert beispielsweise mit Al oder B und/oder ko-dotiert beispielsweise mit Übergangsmetallelement wie Fe, Cr, V sein. Die Photoelektrode ist eine Elektrode mit einer dem Licht zugewandten Fläche. Diese Fläche kann mit einem Ko-Katalysator beschichtet sein, wie beispielsweise mit Pt oder Pd.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung erzielen eine Verbesserung der optischen Transmission bzw. eine Verringerung der Reflexion auf dem optischen Weg zur Elektrode, eine Vergrößerung der optisch bzw. elektrochemisch aktiven Elektrodenoberfläche, eine Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit und Kontaktierung der Elektrode und eine einfache Skalierbarkeit der Zellengröße („Up-scaling“ auf Quadratmeter-große Module und größer).
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung einer photoelektrischen Zelle nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
    • 2 eine detailliertere Darstellung einer photoelektrischen Zelle nach einem vom ersten abgeleiteten zweiten Ausführungsbeispiel, und
    • 3 eine schematische Darstellung einer photoelektrischen Zelle nach einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • Gleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht zu jeder Figur erneut beschrieben.
  • Die in 1 dargestellte photoelektrische Zelle weist ein Gehäuse 1 mit einem lichtdurchlässigen Fenster 2 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist das Fenster 2 eine transparente Platte 3, insbesondere eine Glasplatte 3 auf. Alternativ kann auch eine transparente Kunststoffplatte verwendet werden.
  • Aus Richtung des einfallenden Sonnenlichts 5 betrachtet befindet sich unmittelbar hinter der transparenten Platte 3 im Inneren des Gehäuses 1 eine Elektrode 4 aus 3C-Siliziumkarbid. Vorzugsweise ist das 3C-SiC nano- oder mikrokristallin. Alternativ kann auch amorphes SiC zum Einsatz kommen. Diese SiC-Elektrode 4 weist die Form einer unporösen oder kaum porösen dünnen SiC-Schicht 4 mit einer Dicke im Bereich von 40 bis 80 um auf. Innerhalb dieser Dicke wird durch das Fenster 2 eintretendes Sonnenlicht 5 bestmöglich absorbiert. Die SiC-Schicht 4 kann auf die transparente Platte 3 aufgebracht sein, die dabei als transparentes Substrat 3 dient.
  • Auf der der Seite mit dem Fenster 2 gegenüberliegenden anderen Seite der SiC-Elektrode 4, hier mit Abstand zu dieser, ist eine Gegenelektrode 6 angeordnet, bei der es sich um einen elektrisch gut leitfähigen Metallschaum 6, im vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel um Nickelschaum 6 handelt. Der Metall- bzw. Nickelschaum 6 weist eine Dicke im Bereich von etwa 3 bis 40 mm auf. Die Oberfläche des Metallschaums 6 kann mit einem Katalysator versehen sein, der die Spaltung von Wasser erleichtert. Besonders als Katalysator geeignet sind Polyoxometallate, auf dem Nickelschaum 6 besonders solche aus Nickel, Kobalt und Wolfram.
  • Der Nickelschaum 6 ist mit einem wässrigen Elektrolyten 10 getränkt, der auch in Kontakt mit der SiC-Elektrode 4 kommt und in dem das darin enthaltene Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden soll. Das Gehäuse 1 weist einen Zulauf und einen Ablauf (in 1 nicht gezeigt) zur Zirkulation des Elektrolyten bzw. Wassers durch den Nickelschaum 6 im Gehäuse 1 auf.
  • Ein elektrischer Leiter, im vorliegenden Fall das elektrisch leitende oder leitfähig beschichtete Gehäuse 1 schließt den Stromkreis zwischen Nickelschaum 6 und SiC-Elektrode 4. Zwischen Fenster 2 und SiC-Elektrode 4 kann eine transparente leitfähige Schicht vorgesehen sein, die mit diesem Leiter elektrisch verbunden ist und die SiC-Elektrode 4 großflächig und niederohmig kontaktiert.
  • Das Gehäuse 1 weist einen Auslass 8 für gasförmigen Wasserstoff und einen Auslass 9 für gasförmigen Sauerstoff auf.
  • Zwischen der SiC-Elektrode 4 und dem Nickelschaum 6 ist eine protonendurchlässige Membran 7 (schematisch dargestellt) vorgesehen. Die Membran 7 trennt den Elektrolyt-getränkten Nickelschaum 6 vom Auslass 8 für Wasserstoff und lässt Wasserstoff zum Auslass 8 passieren, nicht jedoch den wässrigen Elektrolyten 10 selbst und den Sauerstoff. Der Auslass 9 für gasförmigen Sauerstoff ist direkt mit dem getränkten Nickelschaum 6 verbunden.
  • Die dem Elektrolyten 10 zugewandte Fläche der SiC-Elektrode 4 kann mit einer Metallschicht, beispielsweise aus solidem Metall und/oder Metall- bzw. Nickelschaum versehen sein. Eine derartige Abwandlung des Ausführungsbeispiels von 1 wird weiter unten in Verbindung mit 3 beschrieben.
  • In Betrieb tritt das Sonnenlicht 5 durch das Fenster 2, hier durch die Glasplatte 3 hindurch, beleuchtet die SiC-Elektrode 4 und erzeugt darin photoelektrisch Ladungsträger, bei denen es sich je nach Dotierung der SiC-Elektrode 4 um Elektronen oder Löcher handelt. Da das Licht 5 dabei die Elektrolyt-freie Seite SiC-Elektrode 4 unmittelbar ohne Durchtritt durch den Elektrolyten beleuchten kann, wird es auf dem Weg zur Elektrode 4 wenig abgeschwächt. Mit der genannten Dicke der SiC-Elektrode 4 im Bereich von 40 bis 80 um wird die Eindringtiefe des Sonnenlichts 5 maximal genutzt. Da die dünne Schicht der SiC-Elektrode 4 kaum oder gar nicht porös ist, wird eine effektive Absorption des Sonnenlichts 5 und eine gute Leitfähigkeit für die darin erzeugten Ladungsträger bewirkt. Mit der oben genannten Dotierung und mit ausreichender Reinheit des SiC-Materials wird eine ausreichende Ladungsträgerlebensdauer erreicht, so dass die im SiC generierten Ladungsträger (je nach Dotierung Elektronen oder Löcher) zur Elektrolytseite der SiC-Elektrode 4 wandern können, wo der Nickelschaum 6 die SiC-Elektrode 4 berührt, und die für die Wasserspaltung notwendige Energie liefern. Mit diesen Ladungsträgern wird aus dem Wasser 10 elektrolytisch Wasserstoff und Sauerstoff generiert.
  • Die Membran 7 ist protonendurchlässig, wirkt als Protonenseparator und trennt den Wasserstoff vom Sauerstoff, indem sie den Wasserstoff zum Auslass 8 diffundieren lässt. Der Sauerstoff perlt aus dem wässrigen Elektrolyten 10 nach oben aus und tritt durch den Auslass 9 aus dem Gehäuse 1 aus.
  • Der nicht in der elektrolytischen Spaltung des Wassers aufgehende Anteil der Energie des Sonnenlichts 5, insbesondere der Energieinhalt des infraroten Anteils des Sonnenlichtspektrums führt zu einer Erwärmung der Zelle. Diese Wärmeenergie kann durch Umwälzen des wässrigen Elektrolyten bzw. Wassers durch den (in 1 nicht gezeigten) Zulauf und Ablauf aus der Zelle abgeführt und anderweitig genutzt werden.
  • 2 zeigt detaillierter eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels von 1. Die photoelektrische Zelle ist hier geneigt dargestellt, so dass das Fenster 2 der schräg einfallenden Sonnenstrahlung zugewandt ist.
  • Wie im Ausführungsbeispiel von 1 ist der Nickelschaum 6 mit dem wässrigen Elektrolyten 10 getränkt. Der Nickelschaum befindet sich also in einem Wasserbad. Der Wasserspiegel liegt oberhalb des Nickelschaums 6. 2 zeigt den Wasserzulauf 11 unten am Gehäuse 1 und den Wasserablauf 12 oben am Gehäuse 1 auf Höhe etwa des Wasserspiegels, die beide in der schematischeren 1 nicht dargestellt sind.
  • Insoweit gleichen Aufbau und Betrieb der Zelle dem Ausführungsbeispiel von 1. Das Ausführungsbeispiel von 2 unterscheidet sich von dem von 1 jedoch durch die im Folgenden beschriebenen Merkmale der Membran 7 und des Auslasses 9 für den Sauerstoff.
  • Die Membran 7 ist im Ausführungsbeispiel von 2 in einem Gasraum 13, 14 oberhalb des Wasserspiegels im Gehäuse 1 angeordnet, wo sie den Gasraum in einen Teil 13 höheren Drucks auf Seiten des Wassers 10 und einen Teil 14 niedrigeren Drucks auf Seiten des Auslasses 8 für Wasserstoffgas teilt. Der jeweilige Druck wird im Betrieb durch die Produktion von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas im wässrigen Elektrolyten 10 und durch die Arbeit eines Verdichters (nicht dargestellt) aufrechterhalten, der den Wasserstoff vom Auslass 8 abzieht und einem Gasnetz oder - Speicher zuführt. Die Druckdifferenz fördert den Durchtritt des Wasserstoffs durch die Membran 7 und somit die Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff.
  • Der Auslass 9 für das Sauerstoffgas ist im Ausführungsbeispiel von 2 an einen Sauerstoffabscheider 15 angeschlossen, der im Ablauf 12 des Wassers angeordnet ist. Das Umwälzen des wässrigen Elektrolyten bzw. Wassers 10 durch den Ablauf 12 dient hier also nicht nur der Nutzung der Wärme des wässrigen Elektrolyten 10 sondern auch der Extraktion des Sauerstoffs aus dem wässrigen Elektrolyten 10.
  • 3 zeigt eine weitere Abwandlung des Ausführungsbeispiels von 1, wobei die gleiche Abwandlung auch gegenüber dem Ausführungsbeispiel von 2 vorgenommen werden kann. Das Ausführungsbeispiel von 3 unterscheidet sich in folgenden Merkmalen von denen der 1 und 2.
  • Die SiC-Elektrode 4 (SiC-Schicht 4) der oben angegebenen Zusammensetzung und Dicke ist hier auf einem leitfähigen Substrat 36 aus Graphit oder Metall aufgebracht, das zwischen der SiC-Elektrode 4 einerseits und dem wässrigen Elektrolyten 10 und dem Nickelschaum 6 andererseits angeordnet ist. Das Fenster 2 weist hier keine dicke transparente Glas- oder Kunststoffplatte sondern eine dünne transparente Schicht 33 aus einem hochtransparenten Kunststoff, z. B. einem Harz, Plexiglas o.ä. auf, das die SiC-Elektrode 4 gegen Staub, Verunreinigungen usw. versiegelt. Solche hochtransparenten Kunststoffe weisen im Spektralbereich, in dem die SiC-Elektrode 4 photoempfindlich ist, eine wesentlich höhere Transmission als Glas auf, insbesondere im UV-Bereich.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel trifft das Sonnenlicht 5 ohne Absorption durch eine etwaige dickere Glas- oder Kunststoffplatte auf die SiC-Schicht 4. Die darin erzeugten Ladungsträger durchlaufen das leitfähige Substrat 36 und stehen auf der der SiC-Schicht 4 gegenüberliegenden Seite des Substrats 36 in dem wässrigen Elektrolyten 10 zur Wasserspaltung zur Verfügung.
  • Den Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass die SiC-Elektrode 4 flächig mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen ausgestaltet ist, von denen die eine Hauptoberfläche (links in den Figuren, „trockene Seite“ der photoelektrischen Zelle - frei von Elektrolyt) mit einem Fenster 2 versehen ist, durch das Sonnenlicht 5 ohne Durchtritt durch einen wässrigen Elektrolyten auf die SiC-Elektrode fallen kann, und von denen die andere Hauptoberfläche (rechts in den Figuren, „nasse Seite“ der photoelektrischen Zelle) flächig elektrisch mit einem wässrigen Elektrolyten 10 und in dessen Folge mit der Gegenelektrode (dem Metall- bzw. Nickelschaum 6) verbunden sind. So kann das Sonnenlicht 5 unbeeinträchtigt vom Elektrolyten die SiC-Elektrode 4 erreichen und die in der Elektrode 4 erzeugten Ladungsträger bewirken effizient die Photokatalyse des wässrigen Elektrolyten 10.
  • Die SiC-Elektrode 4 kann eine eigenständige dünne Platte (Wafer) sein, die mit den beschriebenen Bestandteilen zu der photoelektrischen Zelle laminiert wird. Vorteilhafterweise wird die SiC-Elektrode 4 jedoch als Beschichtung eines Substrats hergestellt, bei dem es sich um die als transparentes Substrat 3 dienende transparente Platte 3 beispielsweise aus Glas oder Kunststoff oder um das leitfähige Substrat 36 beispielsweise aus Graphit oder Metall handelt.
  • Das zur Beschichtung des Substrats 3, 36 verwendete Verfahren soll so steuerbar sein, dass die Beschichtung eine Elektrode 4 aus im Wesentlichen amorphem SiC oder 3C-SiC (vorzugsweise nano- oder mikrokristallin), nicht jedoch hexagonalem SiC erzeugt. Dies lässt sich durch Steuern (Begrenzen) der Temperatur des Substrats 3, 36 während der Beschichtung erreichen.
  • Ein geeignetes Beschichtungsverfahren ist das Gasphasen-Abscheiden einer 3C-SiC-Schicht 4 oder einer amorphen SiC-Schicht 4 auf dem Substrat 3, 36, indem das Substrat 3, 36 einem Si- und C-haltigen Gas ausgesetzt wird. Das Gas kann durch Erhitzen eines Si- und C-haltigen Präkursors erzeugt werden, beispielsweise durch Erhitzen eines Feststoff-Präkursors, der bspw. aus einer Mischung aus pyrogener Kieselsäure und Ruß hergestellt ist, auf Temperaturen ab etwa 1400 °C, vorzugsweise etwa 1600 bis 1900 °C, oder durch Erhitzen eines gasförmigen Präkursors, der bspw. eine Mischung aus Tetrachlorsilan und einem Kohlenwasserstoffgas enthält, auf Temperaturen von etwa 900 bis 1300 °C oder mehr. Dem Präkursor und/oder dem Gas können die oben genannten Dotierstoffe zugegeben werden.
  • Bei der Abscheidung sollte ein Temperaturgradient aufrechterhalten werden, in dem das Substrat 3, 36 eine niedrigere Temperatur als das Gas aufweist. Zum Abscheiden einer amorphen SiC-Schicht 4 liegen die Substrat-Temperaturen im Bereich von 1100 bis 1300 °C. Zum Abscheiden einer 3C-SiC-Schicht 4 liegen die Substrat-Temperaturen im Bereich von 1400 bis 1900 °C. Beispielsweise weist das Substrat 3, 36 eine Temperatur von etwa 1500°C und das Si- und C-haltigen Gas eine Temperatur von etwa 1800°C auf, um 3C-SiC abzuscheiden. Ein Abscheideprozess bei diesen Temperaturen ist vor allem zur Beschichtung von Metall und insbesondere Graphit und daher zur Beschichtung des leitfähigen Substrats 36 geeignet.
  • Mit den folgenden Verfahren kann die SiC-Elektrode 4 bei niedrigeren Temperaturen, insbesondere auch bei Raumtemperatur und daher besonders schonend als dünne Schicht 4 auf dem Substrat 3, 36 aufgebracht werden, ohne dieses wesentlich zu verändern oder gar zu beschädigen. Diese Verfahren eignen sich daher nicht nur zur Beschichtung des leitfähigen Substrats 36 sondern auch zur Beschichtung des transparenten Substrats 3 aus Glas oder Kunststoff:
    • Aufdrucken der SiC-Beschichtung 4 auf dem Substrat 3, 36 im Pulverbett, das einen aus pyrogener Kieselsäure und Ruß hergestellten pulverförmigen Präkursor enthält, mittels eines Laserstrahls in einem 3D-Druckverfahren bei verhältnismäßig niedriger Laserleistung von beispielsweise nur bis zu 20 oder vorzugsweise 10 W für einen IR-Laser oder 15 W für einen UV-Laser, wobei zur Beschleunigung des Vorgangs auch ein Array mehrerer solcher Laser parallel eingesetzt werden kann; oder
    • Aufdrucken der SiC-Beschichtung 4 auf dem Substrat 3, 36 im Pulverbett, das einen aus pyrogener Kieselsäure und Ruß hergestellten pulverförmigen Präkursor enthält, mittels Mikrowellenstrahlung, die von einem solchen Präkursor hervorragend absorbiert wird, wobei sich dieses Verfahren besonders auch zur Beschichtung eines aus Metall oder einer Metallfolie bestehenden Substrats 3 eignet; oder
    • Beschichten des Substrats 3, 36 mittels Kaltplasmaspritzen, indem einem auf das Substrat 3, 36 gerichteten Kaltplasmastrahl der genannte pulverförmige Präkursor oder eine flüssige Suspension des Präkursors zugegeben wird; oder
    • Flash lamp annealing eines zuvor auf dem Substrat 3, 36 aufgetragenen Präkursors, der eine Siliziumquelle und eine Kohlenstoffquelle in flüssiger oder in Pulverform enthält, beispielsweise des zuvor genannten pulverförmigen Präkursors.
  • Bei der Beschichtung der transparenten Platte 3 soll keine opake, das Sonnenlicht 5 behindernde Schicht beispielsweise aus überschüssigem Kohlenstoff und bei der Beschichtung des leitfähigen Substarts 36 soll keine isolierende, den Ladungsträger-Transport zum Nickelschaum 6 behindernde Schicht beispielsweise aus Siliziumdioxid entstehen. Diese Anforderungen lassen sich ebenfalls mit dem angegebenen Temperaturgradienten und einer Kontrolle der Zusammensetzung des Präkursors bzw. des Si- und C-haltigen Gases erreichen, so dass sich auf dem Substrat 3, 36 stöchiometrisches SiC bildet.
  • Die genannten Ausführungsbeispiele können ergänzt und abgewandelt werden. Beispielsweise können Konzentratoren wie beispielsweise Spiegel vorgesehen sein, um das Sonnenlicht vor dem Einfall durch das Fenster 2 zu bündeln und den Flächenbedarf der photoelektrischen Zelle zu verringern. Das Fenster 2 kann auch einfach eine Öffnung im Gehäuse 1 sein, an der die SiC-Elektrode 4 frei liegt - ohne dass eine transparente Platte 3 vorhanden ist. Auch die dünne transparente Schicht 33 braucht nur vorhanden zu sein, wenn die SiC-Elektrode 4 widrigen Umwelteinflüssen ausgesetzt ist. Die photoelektrische Zelle eignet sich nicht nur zum Betrieb mit Sonnenlicht sondern auch mit Licht anderer Quellen. Die einzelnen Merkmale eines jeweiligen Ausführungsbeispiels können mit den Merkmalen eines anderen Ausführungsbeispiels kombiniert werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 3268512 B1 [0003, 0004]
    • EP 2094622 B1 [0003]

Claims (10)

  1. Photoelektrische Zelle zur photokatalytischen Erzeugung von Wasserstoff, umfassend: eine Elektrode (4), die Siliziumkarbid enthält und einander gegenüberliegend eine erste und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, ein Fenster (2) auf der Seite der ersten Hauptoberfläche der Elektrode (4) zum Einfall von Licht (5) von außerhalb der Zelle auf die Elektrode (4), einen wässrigen Elektrolyten (10) auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche der Elektrode (4), und eine Gegenelektrode (6) in Kontakt mit dem wässrigen Elektrolyten (10), wobei die Zelle auf der Seite der ersten Hauptoberfläche der Elektrode (4) Elektrolyt-frei ist.
  2. Photoelektrische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Elektrode (4) eine Siliziumkarbid-Schicht einer Dicke im Bereich von 40 bis 80 um ist.
  3. Photoelektrische Zelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektrode (4) eine Siliziumkarbid-Beschichtung eines Substrats (3, 36) ist.
  4. Photoelektrische Zelle nach Anspruch 3, wobei das Fenster (2) eine transparente Platte (3) aufweist und das Substrat die transparente Platte (3) ist.
  5. Photoelektrische Zelle nach Anspruch 3, wobei das Substrat ein leitfähiges Substrat (36) auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche der Elektrode (4) ist.
  6. Photoelektrische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gegenelektrode (6) einen Metallschaum aufweist, der mit dem wässrigen Elektrolyten (10) getränkt ist.
  7. Photoelektrische Zelle nach Anspruch 6, wobei der Metallschaum Nickelschaum (6) ist.
  8. Photoelektrische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer protonendurchlässigen Membran (7) und einem Auslass (8) zur Ableitung von Wasserstoff aus der Zelle.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (4) für eine photoelektrische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Substrat (3, 36) einem Silizium- und Kohlenstoff-haltigen Gas ausgesetzt wird, während das Substrat auf einer niedrigeren Temperatur als das Gas gehalten wird, um auf dem Substrat (3, 36) eine Schicht (4) aus Siliziumkarbid abzuscheiden.
  10. Elektrode (4), hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 9.
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JIAN, Jingxin ; SUN, Jianwu: A review of recent progress on silicon carbide for photoelectrochemical water splitting. In: Solar RRL, Vol. 4, 2020, No. 7, Article No. 2000111 (10 S.). – ISSN 2367-198X. DOI: 10.1002/solr.202000111

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