DE10393792T5

DE10393792T5 - Integrierte photoelektrochemische Zelle und System mit einem flüssigen Elektrolyten

Info

Publication number: DE10393792T5
Application number: DE10393792T
Authority: DE
Inventors: Xunming Sylvania Deng; Liwei Sylvania Xu
Original assignee: University of Toledo
Current assignee: University of Toledo
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2003-11-24
Publication date: 2005-11-03
Also published as: JP2006508253A; US20050211290A1; AU2003295880A1; US7750234B2; WO2004050961A1

Abstract

Photoelektrochemische (PEC) Zelle mit:
mindestens einer photovoltaischen Elektrode, die bei Bestrahlung Spannung erzeugt;
mindestens einem Elektrolyt;
einem Behälter, der das Elektrolyt hält;
einer Oberseitenabdeckung, die im Wesentlichen für die Strahlung transparent ist;
mindestens einem Mechanismus, der den Behälter in zwei Kammern für Oxidations- und Reduktionsreaktionen unterteilt; und
einer Struktur, die es ermöglicht, dass ausreichend Strahlung den Bereich der Photoelektrode erreicht.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser durch einen Photoelektrolyseprozess und betrifft insbesondere die Erzeugung von Wasserstoff unter Verwendung von Sonnenstrahlung. Diese Erfindung wurde mit öffentlicher Unterstützung gemäß dem Abkommen des Amts für nationale erneuerbare Energie (NREL) Nr. NDJ-1-30630-08 erarbeitet, das vom Energieministerium aufgelegt wurde und unter der Aufsicht von ARL-WPAFB „Photovoltaischer Wasserstoff für mobile Leistung nach Bedarf", der Universität Toledo entsprechend dem Untervertrag 03-S530-0011-01C1 gemäß dem übergeordneten Vertrag F33615-02-D-2299 über die universelle technologische Kooperation. Die Regierung besitzt gewisse Rechte an dieser Erfindung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es wird vielfach angenommen, dass das künftige Transportsystem auf einer Wasserstoffwirtschaft beruht. Durch Verwenden von Brennstoffzellen verbrennen Personenkraftwagen und Lastwagen kein Öl mehr und emittieren damit kein CO₂ auf den Straßen, da diese Wasserstoff als Brennstoff benutzen und das einzige Nebenprodukt dabei Wasser ist. Jedoch werden in dem Reformierungsprozess, d. h. dem wesentlichen Prozess, der in der heutigen Wasserstoffherstellung eingesetzt wird, dennoch auf Öl basierende Produkte als das Rohmaterial benutzt und es werden große Mengen an CO₂ emittiert. Um die Abhängigkeit unserer Gesellschaft von ölbasierten Produkten zu verringern und um die Emission von CO₂ zu vermeiden, das eine globale Erwärmung hervorruft, muss ein erneuerbares Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff entwickelt werden. Ein Elektrolyseprozess unter Verwendung von lediglich Sonnenlicht und Wasser wird als erste Wahl für die Wasserstofferzeugung erachtet. Ein derartiger Wasserstoffbrennstoff ist ideal für Anwendungen mit Protonaustauschmembranbrennstoffzellen (PEMFC), da dieser äußerst geringe Konzentrationen an Kohlenstoffmonoxid aufweist, der für Platinkatalysatoren in PEM-Brennstoffzellen schädigend ist. Jedoch ist eine indirekte Photoelektrolyse, in der die photovoltaischen Zellen und Elektroden separiert sind und elektrisch unter Anwendung externer Kabel verbunden sind, nicht kosteneffizient. Eine integrierte photoelektrochemische Zelle (PEC) bietet die Möglichkeit, Wasserstoff in erneuerbarer und kosteneffizienter Weise zu erzeugen.
Einige frühere Erfindungen und Veröffentlichungen haben Ausgestaltungen für photoelektrochemische Zellen offenbart. US-Patent 4,090,933 (Nozik), US-Patent 4,144,147 (Jarrett et al.), US-Patent 4,236,984 (Grantham), US-Patent 4,544,470 (Hetrick), US-Patent 4,310,405 (Heller), US-Patent 4,628,013 (Figard et al.), US-Patent 4,650,554 (Gordon), US-Patent 4,656,103 (Reichmann et al.), US-Patent 5,019,227 (White et al.), US-Patent 6,471,850 (Shiepe et al.), US-Patent 6,631,660 (Goldstein), US-Patent 6,471,834 (Roe et al.).
J.R. Bolton "Solare Photoerzeugung von Wasserstoff: Ein Überblick", Solarenergie, 57, 37 (1996)
S.S. Kocha, D., Montgomery, M. W. Peterson, J.A. Turner, "Photelektrochemische Zersetzung von Wasser unter Verwendung monolitischer Tandemzellen", Solarenergie Materials & Solarzellen, 52, 389 (1998)
S. Licht, „Effiziente Solarerzeugung von Wasserstoffbrennstoff – eine fundamentale Analyse", elektrochemische Mitteilungen 4, 790 (2002)
P.K. Shukla, R.K. Karn, A.K. Singh, O.N. Srivastava, „Studien über PV-unterstützte PEC-Solarzellen für die Wasserstofferzeugung durch Photoelektrolyse von Wasser", Int. J. über Wasserstoffenergie, 27, 135 (2002)
X. Gao, S. Kocha, A. Frank, J.A. Turner, „Photoelektrochemische Zersetzung von Wasser unter Verwendung modifizierter monolitischer Tandemzellen", In. J. über Wasserstoffenergie 24, 319 (1999)
R.E. Rocheleau und E.L. Miller, „Photoelektrochemische Erzeugung von Wasserstoff: verfahrenstechnische Verlustanalyse", In. J. über Wasserstoffenergie, 22, 771 (1997).
Jedoch zeigen die früheren Vorrichtungen und Verfahren, die in den zuvor genannten Patenten und Veröffentlichungen beschrieben und veröffentlich sind, zumindest einen der folgenden Nachteile:
die photovoltaische Zelle erzeugt keine ausreichende Spannung, um Wasser zu spalten,
die photovoltaische Zelle erfordert eine externe elektrische Vorspannung für die Elektrolyse,
die photovoltaische Einrichtung hat keine Lebensdauer für eine längere Anwendung im Elektrolyten auf Grund ungeeigneten Schutzes,
die photovoltaische Einrichtung kann nicht unter Anwendung von kostengünstigen Verfahren hergestellt werden und
die photovoltaische Einrichtung besitzt nicht das Potential für eine hohe Konversionseffizienz.
Daher besteht ein nachhaltiger und großer Bedarf im Stand der Technik für eine effiziente PEC-Einrichtung, die Wasserstoff aus Wasser bei Einstrahlung erzeugt, die keine externe Vorspannung auf Grund einer ausreichenden Spannung erfordert und die kostengünstig hergestellt werden kann.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine photoelektrochemische (PEC) Zelle bereit, die Wasser bei Einwirkung von Strahlung aufspaltet und Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. In dieser PEC-Zelle ist eine photovoltaische (PV) Elektrode, die eine Solarzelle mit mehreren Übergängen und geeignete Schichten und Katalysatoren aufweist, in einem Elektrolyt, der entweder sauer oder basisch sein kann, angeordnet. Bei Strahlung, etwa Sonnenlicht, erzeugt die PV-Elektrode eine Spannung, die ausreichend ist, um die Elektrolyse in Gang zu setzen, und erzeugt ferner Wasserstoff und Sauerstoff. Eine Membrane ist in der PEC-Zelle vorgesehen, um einen Ionenaustausch für die Elektrolyse zu ermöglichen, wobei diese jedoch das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas trennt und in zwei unterschiedlichen Bereichen der Zelle einschließt. Eine Struktur, die die Effizienz der Wasserstoff- und Sauerstofferzeugung erhöht und die Kosten für die PEC-Zelle minimiert, ist ebenfalls angegeben.
Die PV-Elektrode verwendet eine Lösung mit mehreren Übergängen, um eine ausreichende Spannung zum Spalten von Wasser zu erzeugen. Die theoretische Grenze für die Wasseraufspaltungsspannung beträgt 1,23 Volt. Praktisch ist jedoch die erforderliche Spannung ungefähr 1,6 Volt oder größer auf Grund des Vorhandenseins von Überspannungen an den Elektrolyt-Elektroden-Grenzflächen. Die PV-Struktur, die eine derartige Spannung bei Einstrahlung, etwa Sonnenlicht, erzeugt, sollte eine Spannung von ungefähr 1,6 Volt oder höher bei Betriebsbedingungen erzeugen.
Es gibt zwei Möglichkeiten, die erforderliche Spannung für die Wasseraufspaltung in der Elektrode mit mehreren Übergängen zu erreichen: 1) eine Photoelektrode mit mehreren Übergängen, in der alle Übergänge auf Festkörperhalbleitern basieren und die Oberseitenfläche der Photoelektrode mit einer Schicht aus einer transparenten, leitenden und korrosionsresistenten (TCCR) Beschichtung bedeckt ist; und 2) eine Photoelektrode mit mehreren Übergängen, in der der oberste Übergang (derjenige, der der eintreffenden Strahlung zugewandt ist) ein flüssiger Übergang zwischen einer Halbleiterschicht und dem Elektrolyt ist.
1) Photoelektrode mit mehreren Übergängen, die alle Festkörperübergänge sind:
Ein Beispiel dieser PV-Struktur ist ein Solarzellenstapel mit einer amorphen Siliziumlegierung mit zwei Übergängen oder drei Übergängen, der aus Halbleiterschichten aufgebaut ist. Die Polarität der Photoelektrode kann so sein, dass sowohl die positive als auch die negative Seite der Strahlung zugewandt ist. Wenn die positive Seite der Strahlung zugewandt ist, tritt eine Oxidation an dieser Seite (Anode) auf und Wasserstoffgas wird an der Frontfläche (die der Strahlung zugewandt ist) erzeugt, während Sauerstoff an der Rückseitenfläche (an der Substratseite, die der Strahlung gegenüberliegend ist) erzeugt wird, die somit die Kathode darstellt. In gewissen Ausführungsformen wird eine transparente, leitende und korrosionsbeständige Beschichtung auf der Frontfläche der Photoelektrode aufgebracht, um die Halbleiterschichten zu schützen.
1A: Metalloxide als TCCR-Beschichtungen
fluordotiertes Zinnoxid – fluordotiertes Zinnoxid (SnO₂:F) ist transparent, leitend und korrosionsbeständig. Es kann durch viele Verfahren abgeschieden werden, zu welchen das Sputtern, APCVD, etc. gehören.
Titan, Wolfram und Eisenoxide – TiO₂, WO₃ und Fe₂O₃ und Modifikationen dieser grundlegenden Oxide sind im Elektrolyten stabil. Diese Oxide werden mit anderen Elementen verbunden, um den gleichrichtenden Übergang zwischen diesen Oxiden und den Elektroden zu vermeiden. Es können diverse Vorgehensweisen einschließlich des Dotierens, der Legierungsbildung und der Oberflächenmodifizierung angewendet werden, um einen ohmschen Kontakt zwischen diesen Oxiden und dem Elektrolyten zu erreichen.
1B: Nitride und Karbide als TCCR-Beschichtungen
Nitride – diverse Nitride, etwa InGaN, GaPN und GaAsPN sind als TCCR-Beschichtung verwendbar.
Karbide – diverse Karbidmaterialien, etwa Siliziumkarbid und Germaniumkarbid sind als TCCR-Beschichtung verwendbar. Abscheideverfahren, etwa plasmaunterstütztes CVD mit sehr hoher Frequenz (VHF) und Heißdraht-CVD sind für diese Beschichtungen verwendbar.
1C: Polymerverbindungen
Polymernanoverbindungen können transparent und korrosionsbeständig hergestellt werden. Durch Hinzufügen einer geringen Menge an Metall werden diese Nanoverbindungen ausreichend leitfähig (erforderlich sind < 10⁵ Ohm cm), um als die TCCR-Beschichtung zu dienen.
2) Hybridphotoelektrode mit mehreren Übergängen, wobei der Halbleiter-Elektrolyt-Flüssigkeitsübergang als der oberste Übergang dient:
Verbindungshalbleiter mit großer Bandlücke (WGCS), der einen effizienten Übergang mit dem Elektrolyten bildet aber dennoch ausreichend Strom liefert, so dass dieser den anderen Komponenten der Solarzelle in dem Stapel mit mehreren Übergängen angepasst ist.
2A: Legierungsbildung von Metalloxiden, um die Absorption zu erhöhen
Um die Absorption und damit den photoerzeugten elektrischen Strom zu erhöhen, werden TiO₂, WO₃ und Fe₂O₃ mit anderen Materialien verbunden, so dass ihre Bandlücken geringer werden. Zu verwendbaren Kandidatenmaterialien für die Legierungen gehören Ca und Mg.
2B: auf III-V-basierende Verbindungen und Karbide für den flüssigen Übergang
III-V-Verbindungshalbleitermaterialien, etwa n-InGaN, GaPN, GaAsPN und GaP und Gruppe IV-Verbindungshalbleiter, etwa SiC und GEC sind für den flüssigen Übergang mit dem Elektrolyten verwendbar.
Der Elektrolyt kann entweder sauer (etwa H₂SO₄) oder basisch (etwa KOH) sein. Beispiele für die halbe und die kombinierte Reaktion für jede Elektrolytenart sind wie folgt:
Sauer:
oder basisch:
Das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas werden in zwei unterschiedlichen Kammern erzeugt, die durch eine Membran getrennt sind. Die Membranen sind für Ionen leitfähig, trennen aber die Gase. Die Membranen werden in einer Weise installiert, die es ermöglicht, das die maximale Strahlung die Photoelektrode erreicht. In gewissen Ausführungsformen besteht eine Möglichkeit zum Installieren der Membran darin, die Membran in der gleichen Richtung wie die Strahlung vorzusehen. In anderen Ausführungsformen besteht eine weitere Möglichkeit darin, die Membran hinter dem Substrat anzuordnen. Eine Kation-Austauschmembran wird für die Leitung von N⁺ für den sauren Elektrolyten und eine Anionaustauschmembran wird für das Leiten von OH^– in dem basischen Elektrolyten verwendet. Wenn die Membranen senkrecht zu der Photoelektrode vorgesehen werden (beispielsweise vertikal), können das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas auch durch Schwerkraft weg von der Membran getrennt werden. Auf diese Weise ist die erforderliche Dicke der Membran gering, woraus eine merkliche Verringerung der Materialkosten und erhöhte Leitfähigkeit für Ionen resultieren.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein PEC-Sytem, das die zuvor beschriebene PEC-Zelle mit Trägerstrukturen und Hilfskomponenten beinhaltet, das ein selbstständiges System für die Wasserstofferzeugung bildet. In einem derartigen System wird Elektrolyt durch das PEC-System zirkuliert, wobei Gasbläschen herausgewaschen und Wasser für die Elektrolyse bereitgestellt wird. Ein derartiges PEC-System ist vollständig selbstunterhaltend. Die Trägerstruktur und die Hilfskomponenten beinhalten die Montagemechanismen für diverse Komponenten, Mechanismen für die Elektrolytzirkulation durch die PEC-Zelle und bei Bedarf Behälter für das Sammeln von Wasserstoff- und Sauerstoffgas.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren, um die zuvor beschriebene PEC-Zelle und das PEC-System herzustellen.
In der hierin beschriebenen PEC-Zelle wird eine geringe Menge eines Elektrolyten verwendet, wodurch das System leicht und tragbar ist. Die PEC-Zelle besitzt ferner eine verbesserte Strömung des Elektrolyts, so dass Gasbläschen effizienter aus den Elektrodenoberflächen weggespült oder von diesen entfernt werden können. In gewissen Ausführungsformen wird in dem PEC-Zellenaufbau ein gegossener Kunststoffkontakt und flache Oberseitenstücke verwendet, wodurch die Herstellung vereinfacht und damit die Herstellungskosten verringert werden.
Die zuvor offenbarte PEC-Zelle und das System bieten merkliche Vorteile, etwa ein hohe Umwandlungseffizienz, eine effiziente Elektrolyse, geringe Kosten und eine hohe Lebensdauer. Selbstverständlich kann in gewissen Ausführungsformen bei PEM-Brennstoffzellen (PEMFC), in denen Pt als Katalysator verwendet wird, dieses durch CO-Gas geschädigt werden, woraus sich ein reduziertes Leistungsverhalten ergibt. Jedoch beinhalten die Wasserstoffbrennstoffe, die unter Verwendung eines derartigen PEC- Systems erzeugt werden, äußerst geringe Mengen an Kohlenmonoxid, so dass dieser Wasserstoff ideal für PEMFC ist. Das oben erwähnte PEC-System, wenn dieses in Verbindung mit tragbaren Brennstoffzellen verwendet wird, ermöglicht eine dezentrale und tragbare Energieerzeugung. Die Energie kann in Form von Wasserstoff gespeichert werden. Da Strahlung, etwa Sonnenlicht, täglich vorhanden ist, muss die erforderliche Speicherkapazität für ein derartiges kombiniertes PEC/PEMFC-System nicht groß sein, woraus sich reduzierte Kosten ergeben.
Durch das zuvor Gesagte werden in breiter Weise die wichtigeren Merkmale der hierin offenbarten Erfindung betont, so dass die nun folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden und der Beitrag der vorliegenden Erfindung zum Stand der Technik besser gewürdigt werden kann. Die vorliegende Erfindung soll nicht auf die Details des Aufbaus und der Anordnungen der Komponenten eingeschränkt werden, wie dies in der folgenden Beschreibung oder in den Zeichnungen dargestellt ist. Vielmehr kann die vorliegende Erfindung in anderen Ausführungsformen vorliegen und auf diverse andere Arten praktiziert und ausgeführt werden, die nicht speziell hierin aufgezählt sind. Schließlich sollte es selbstverständlich sein, dass die Begriffsbildung und Terminologie, die hierin verwendet sind, dem Zwecke der Beschreibung dienen und nicht als einschränkend betrachtet werden soll, sofern die Erfindung durch die Beschreibung nicht speziell diesbezüglich eingeschränkt wird.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1a, 1b und 1c sind schematische Ansichten der PEC-Zelle, wobei die PV-Elektrode, die Membran und die beiden Kammern, die durch die Membran getrennt sind, gezeigt sind. 1a ist eine Schnittansicht von vorne, während 1b eine Draufsicht ist. 1c ist eine dreidimensionale schematische Ansicht, die weitere Details des PEC-Systems zeigt.
2 ist eine Vorderansicht einer ausgewählten Doppelverbindungssolarzelle auf Basis amorphen Siliziums, die ein Beispiel der PV-Struktur repräsentiert.
3 ist eine schematische Ansicht des Endadapters der PE-Zelle für die Sammlung von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas und für die Umwälzung des Elektrolyten.
3a ist ein Vorderansicht und 3b ist eine Draufsicht.
4 ist eine schematische Ansicht der Seitenansicht der PEC-Zelle mit Endadaptern.
5 ist eine schematische Ansicht des PEC-Systems, wobei der Elektrolytzirkulierungsmechanismus und die Gasbehälter gezeigt sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine photoelektrochemische (PEC) Zelle mit: mindestens einer photovoltaischen Elektrode, die bei Strahlung eine Spannung erzeugt; mindestens einem Elektrolyten; einem Behälter, der den Elektrolyten hält; einer Oberseitenabdeckung, die im Wesentlichen für die Strahlung durchlässig ist; mindestens einem Mechanismus, der den Behälter in zwei Kammern für die Oxidation- und Reduktionsreaktion unterteilt; und einer Struktur, die zulässt, dass die maximale Strahlung den aktiven Bereich der Photoelektrode erreicht. In gewissen Aspekten weist die PEC-Zelle einen Oberseitenübergang auf, der der Strahlung in der photovoltaischen Elektrode am nächsten liegt und der Oberseitenübergang umfasst einen flüssigen Übergang zwischen einem Halbleiter und dem Elektrolyten. In anderen Aspekten weist der Halbleiter, der einen Übergang mit dem Elektrolyten bildet, mindestens ein Metalloxid auf, das in dem Elektrolyten stabil ist.
Beschreibung der PEC-Zelle
Ein Beispiel der PEC-Zelle ist in 1a gezeigt. Die PEC-Zelle 1 besteht aus einer Oberseitenabdeckung 2, einem Halter/Behälter 6, einer photovoltaischen Elektrode 4, Membranen 7 und anderen Komponenten. Die Photoelektrode 4 und die Membran 7 unterteilen die PEC-Zelle in zwei Kammern 2 und 5, in denen entsprechend Oxidations- und Reduktions-Halbreaktionen stattfinden. Die Photoelektrode 4 erzeugt bei Strahlung 10, die durch die im Wesentlichen transparente Oberseitenabdeckung 2 hindurchtritt, eine Spannung, die ungefähr 1,6 eV oder darüber beträgt und ausreichend ist, um die Elektrolyse von Wasser in Gang zu setzen. Die Photoelektrode 4 ist eine photovoltaische Zelle, die aus einem Stapel oder mehreren Schichten aus Halbleitermaterialien aufgebaut ist, die auf einem leitenden Substrat abgeschieden sind, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Die beiden Seiten der Photoelektrode dienen als die Anode bzw. die Kathode. Die Polarität hängt von der Sequenz der p- und n-dotierten Schichten in dem Halbleiterstapel ab, der die photovoltaische Zelle 4 bildet. Eine dünne Beschichtung der Membran 7, die auf einen Träger 8 aufgebracht ist, ermöglicht den Austausch von Ionen, während Gase, die in der Anode und der Kathode innerhalb der beiden Kammern 3 bzw. 5 erzeugt werden, getrennt werden.
Wenn die Strahlung 10, etwa Sonnenlicht, auf die Photoelektrode 4 über die im Wesentlichen transparente Oberseitenabdeckung 2 eingestrahlt wird, wird eine Spannung erzeugt. Wenn ein photovoltaische Zelle mit mehreren Übergängen verwendet wird, kann die Spannung ungefähr 1,6 Volt oder mehr betragen, was ausreichend ist für die Wasserelektrolyse. In den beiden Kammern werden Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Wenn die p-Halbleiterschicht an einer Oberseite 4-1 der Elektrode 4 in 1 angeordnet ist, d. h. der Strahlung 10 zugewandt und näher an der Kammer 3 liegt, und wenn die n-Halbleiterschicht an der Unterseite 4-2 der Elektrode 4 liegt, so wird eine positive elektrische Vorspannung an der Oberseitenfläche 4-1 erzeugt, d.h. diese ist die Anode, und es wird eine negative Vorspannung an der Unterseitenfläche 4-2, d. h. der Kathode, erzeugt. Es wird Sauerstoff in der oberen Kammer 3 und Wasserstoff in der unteren Kammer 5 erzeugt. Wenn die Polarität der Halbleiterschichten, die die Elektrode 4 bilden, umgekehrt ist, so finden die Reduktions- und Oxidationsreaktionen an den umgekehrten Seiten statt.
Sowohl saure als auch basische Elektrolyte können für die Elektrolyse verwendet werden. Ein Beispiel für den sauren Elektrolyten ist H₂SO₄ und ein Beispiel des basischen Elektrolyten ist KOH. Die Membran 7 wird auf ein poröses Substrat 8 aufgebracht. Das poröse Substrat 8 ermöglicht, dass der Elektrolyt durch das Substrat 8 strömt und dennoch eine mechanische Stabilität erreicht wird, um die Membran 7 zu tragen. Die Membran 7 kann äußerst dünn hergestellt werden, um Kosten einzusparen. Ein Beispiel des Trägermaterials ist mikroporöses Polypropylen.
Die PEC-Zelle 1 beinhaltet ferner Durchgangslöcher 9, die durch mindestens einen Montagemechanismus 9-1 definiert sind. Die Durchgangslöcher 9 ermöglichen es, dass der Elektrolyt E durch die Membran 7 strömt. In gewissen Ausführungsformen kann der Halter/Behälter 6 aus Kunststoff, Glas oder anderen geeigneten Materialien hergestellt sein, die eine mechanische Stützfunktion bieten aber dennoch resistent für die Korrosion durch den Elektrolyten sind. Auch können in gewissen Ausführungsformen Strömungsführungen 3-1 und/oder 5-1 in den Kammern 3 und 5 vorgesehen sein, die eine seitlich abgelenkte Strömung des Elektrolyts in einer Zickzack-Form bewirken. Die Strömungsführungen 3-1 und/oder 5-1 können das Leiten von Ionen verbessern und eine schnelle Elektrolyse fördern.
In einer alternativen Ausführungsform ist anstatt des Vorsehens einer Membran in der PEC-Zelle die PEC-Zelle so gestaltet, dass die PEC-Zelle die Schwerkraft optimal ausnutzt, um die in den unterschiedlichen Kammern erzeugten Gase zu trennen. Auf diese Weise kann die Verwendung der Membran minimiert oder vollständig eingespart werden.
1 b ist eine Draufsicht der PEC-Zelle 1, die in 1a gezeigt ist, wobei die Durchgangslöcher 9 und die Photoelektrode 4 dargestellt sind. Der Elektrolyt in den separierten Kammern 3 und 5 strömt in der Richtung parallel zu der Photoelektrode (in 1b nach oben). 1c ist eine dreidimensionale Ansicht der PEC-Zelle, wobei einige der Details, die in 1a und 1b gezeigt sind, dargestellt sind.
2 zeigt ein Beispiel der Photoelektrode 4. Es sind amorphes Silizium (a-Si) und auf a-Si basierende Legierungen als die Halbleiterschichten in diesem Beispiel verwendet. Die Struktur der in 2 gezeigten Photoelektrode ist wie folgt: ein Metallsubstrat 21, ein Metallreflektor 20, ein transparentes leitendes Oxid (TCO), eine n- a-Si-Schicht 18, eine intrinsische a-Si-Ge-Schicht 17, eine p- a-Si basierte Schicht 16, eine n- a-Si-Schicht 15, eine intrinsische a-Si-Schicht 14, eine p- a-Si basierte Schicht 13 (nipnip-Schichten), eine TCO-Schicht 12. Das Substrat 21 ist mit einem wasserstofffördernden Katalysator 22 beschichtet und die Oberseiten-TCO-Schicht 12 kann mit einem sauerstofffördernden Katalysator 11 bedeckt sein. Beispiele für die Oberseiten-TCO-Schichten 12 sind Zinnoxid und fluordotiertes Zinnoxid. Die nipnip-Schichten erzeugen eine positive Vorspannung an der Oberseite bei Einstrahlung von Sonnenlicht, so dass Sauerstoff in die obere Kammer 3 und Wasserstoff in die untere Kammer 5 strömt.
Eine alternative Struktur ist: ein Metallsubstrat 21, ein Metallreflektor 20, eine transparente leitende Oxid- (TCO) Schicht 19, eine p- a-Si basierte Schicht 18, eine intrinsische a-Si-Ge-Schicht 17, eine n- a-Si-Schicht 16, eine p- a-Si basierte Schicht 15, eine intrinsische a-Si-Schicht 14, eine n- a-Si-Schicht 13 (pinpin-Schichten), eine TCO-Schicht 12. Das Substrat 21 ist mit einem sauerstofffördernden Katalysator 22 beschichtet und die obere TCO-Schicht kann mit einem wasserstofffördernden Katalysator 11 beschichtet sein. Die pinpin-Schichten erzeugen eine negative Vorspannung an der oberen Schicht 12 bei Sonnenlichteinstrahlung, so dass Wasserstoff in die obere Kammer 3 und Sauerstoff in die untere Kammer 5 strömt.
3 zeigt einen Endadapter 23, der Elektrolyt zu der PEC-Zelle 1 führt oder Elektrolyt, der mit Wasserstoff oder Sauerstoffbläschen gemischt ist, aus der PEC-Zelle 1 sammelt. Eine Oberseiten- oder erste Öffnung 24 ist funktionsmäßig mit der oberen Kammer 3 verbunden, während eine Unterseiten- oder zweite Öffnung 25 funktionsmäßig mit der unteren Kammer 5 verbunden ist. In dem in 3 gezeigten Adapter 23 strömt der Elektrolyt aus der PEC-Zelle 1 heraus und in die erste und in die zweite Öffnung 24 und 25, dann weiter in erste und zweite Kanäle 26 und 27, die funktionsmäßig mit diesen Öffnungen verbunden sind, und aus einer ersten und einer zweiten Auslassröhre 28 und 29 heraus. 3a ist die vordere Schnittansicht, während 3b die Draufsicht des Endadapters 23 ist. 4 zeigt eine Seitenansicht einer PEC-Zelle mit einem ersten und einem zweiten Endadapter 23 und 23', die mit der PEC-Zelle 1 verbunden sind, um ein strömendes Elektrolyt aus bzw. in die PEC-Zelle zu ermöglichen.
Beschreibung des PEC-Systems
5 zeigt ein PEC-System 50, in welchem die PEC-Zelle 1 verwendet wird, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Diese Zeichnung zeigt die Seitenansicht aus 4. In einem Beispiel ist die Photoelektrode eine nipnip-Zelle, wobei positive Spannung an der Strahlungsseite erzeugt wird. Wasserstoffgas wird in der Kammer 5 erzeugt und tritt aus der ersten Auslassröhre 28 an dem Endadapter 23 aus. Sauerstoff wird in der Kammer 3 erzeugt und tritt aus der zweiten Auslassröhre 29 aus. In der gezeigten Ausführungsform wird eine erste und eine zweite Pumpe 31 bzw. 39 für die Elektrolytumwälzung verwendet. Die Gase und der Elektrolyt werden mittels der Pumpen 31 und 39 in einen ersten und einen zweiten Gassammelbehälter 34 und 42 über einen ersten und einen zweiten Gassammeleinlass 36 bzw. 44 umgewälzt. Das Wasserstoffgas wird an einem ersten Sammelanschluss 38 auf dem ersten Gassammelbehälter 34 gesammelt, und das Sauerstoffgas wird an einem zweiten Sammelanschluss 46 auf dem zweiten Gassammelbehälter 42 gesammelt. Der Elektrolyt strömt aus dem ersten und dem zweiten Gassammelbehälter 34 und 42 über einen ersten und zweiten Umwälzanschluss 37 bzw. 45 zurück in die Kammer 5 bzw. 3 über Einlassröhren 28' und 29' in dem zweiten Endadapter 23'. Wenn die Elektrolytpegel 35 und 43 in dem ersten und dem zweiten Gassammelbehälter 34 bzw. 42 niedrig sind, öffnen sich die entsprechenden Wassereinlassventile und Schalter 32 und 40, so dass zusätzliches Wasser in das System über einen ersten und einen zweiten Wassereinlassanschluss 33 bzw. 41 zufließen kann.
Verfahren zur Herstellung der PEC-Zelle und des PEC-Systems
Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung die Verwendung mehrerer Variationen der Verfahren zur Herstellung der PEC-Zelle 1 und des PEC-Systems 50 beinhaltet. Es wird ein Beispiel hierin beschrieben, wobei die Struktur verwendet wird, die in den 1 bis 5 beschrieben ist. Ein Metallfolie oder Platte 21 wird als das Substrat verwendet. Ein Katalysator 22 wird auf dem Substrat abgeschieden (der Katalysator 22 kann auch nach dem Abscheiden der TCO-Schicht 12 aufgebracht werden). Eine reflektierende Metallschicht 20, etwa eine Aluminiumschicht, und eine TCO-Schicht 19, etwa Zinnoxid oder Zinkoxid, werden dann auf dem Metallsubstrat 21 mittels Dünnfilmabscheideprozesse, etwa Dampfabscheidung, Sputtern oder andere geeignete Verfahren aufgebracht. Daran schließt sich eine Abscheidung von Halbleiterschichten an, etwa a-Si basierte Halbleiterschichten 13 bis 18. Es wird dann eine weitere TCO-Schicht 12 auf der obersten Schicht der Elektrode 4 aufgebracht. In gewissen Ausführungsformen kann eine dünne Schicht aus Katalysatormaterial auf eine Oberseitenfläche der TCO-Schicht 12 aufgebracht werden. Ein Beispiel eines derartigen Katalysators ist eine dünne Schicht aus Kohlenstoffpulver mit Kügelchen in Mikrometergröße, die Pt-Teilchen in Nanometergröße tragen. Das Kohlenstoffpulver kann auf die TCO-Schicht 12 gepresst oder mit dieser verbunden werden. Der Katalysator auf der Frontfläche kann auf ausgewählte Gebiete aufgebracht werden, so dass dieser die eintreffende Strahlung, etwa das Sonnenlicht, nicht blockiert oder zumindest nicht sehr viel davon blockiert.
Bei der Herstellung der Membranen können dünne Beschichtungen von Membranen, etwa Nafion, ein Produkt von Dupont, das ein perfluoriniertes Polymer ist, das geringe Anteile an ionischen funktionellen Gruppen mit Schwefel und Kohlenstoff enthält, auf einem billigen Träger 8 aufgebracht werden, etwa mikroporöses Polypropylen. Die Membran 7 kann zur Kostenreduzierung mit einer gewünschten geringen Dicke hergestellt werden.
Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung in einem geeigneten Halter/Behälter 6 luftdicht eingeschlossen oder aufbewahrt werden kann. Der Halter/Behälter kann aus Kunststoff, Glas, Metall oder anderen Materialien hergestellt sein. Die Auswahl des Halter-/Behältermaterials hängt von den Kosten, der mechanischen Festigkeit und der Korrosionsbeständigkeit ab. Der Halter/Behälter, wenn er etwa aus Kunststoff hergestellt ist, kann unter Anwendung eines Gießverfahrens hergestellt werden. Die Durchführungslöcher 9 und diverse Montagemechanismen 9' für die Photoelektrode und die Membran können an den Kunststoffträger/Behälter angespritzt werden. Nachdem die Photoelektroden 4 innerhalb des Behälters 6 installiert sind, können die Ränder 4-3 und 4-4 der Photoelektrode mit einem geeigneten isolierenden Material 9-2, etwa einem Epoxymaterial, geschützt werden.
Der Behälter 6 ist durch die Oberseitenabdeckung 2 abgeschlossen, die aus Glas, Kunststoff oder anderen Materialien hergestellt werden kann, die im Wesentlichen für die Strahlung durchlässig sind.
Die Endadapterstücke 23 und 23', die in 3 beschrieben sind, können maschinell so hergestellt werden, dass sie der PEC-Zelle 1 angepasst sind. Die beiden Endadapter mit den Gasröhren 28, 29, 28' und 29' werden in der PEC-Zelle zum Zwecke des Elektrolyteinlasses und des Gasein-/Gas-Auslasses vorgesehen. Umwälzpumpen, Wassereinlassventile und die Gassammelbehälter werden mittels Gasröhren installiert. Wasserstoff und Sauerstoff werden an dem Anschluss 38 bzw. 46 oder umgekehrt, abhängig von der Polarität der photovoltaischen Struktur, gesammelt.
Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff
Das PEC-System 50, wovon ein Beispiel in 5 gezeigt ist, wird verwendet, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Das System ist für Einstrahlung von Sonnenlicht oder anderer geeigneter Strahlung ausgelegt, so dass die Strahlung durch die Oberseitenabdeckung 2 eintritt. An den Anschlüssen 41 und 33 wird Wasser hinzugefügt. Wasserstoffgas und Sauerstoffgas werden an den Anschlüssen 38 bzw. 46 gesammelt. Bei der Verwendung des PEC-Systems wird die PEC-Zelle vorzugsweise so geneigt, dass die Oberseitenabdeckung 2 der Strahlung, etwa dem Sonnenlicht, zugewandt ist. Elektrolyt wird in den unteren Endadapter 23' eingeführt und von dem oberen Endadapter 23 abgenommen. Auf diese Weise treibt die Schwerkraft die Gasbläschen aus der PEC-Zelle heraus und wälzt den Elektrolyten um.
Beispiele
Die Photoelektrode kann aus unterschiedlichen Arten von Solarzellen aufgebaut werden. Sowohl a-Si basierte Solarzellen mit zwei Übergängen und drei Übergängen können beispielsweise verwendet werden.
Wenn eine a-Si-/a-Si-Ge-Solarzelle mit zwei Übergängen verwendet wird, so kann die Gesamtspannung auf ungefähr 1,6 Volt oder höher beim Arbeitspunkt eingestellt werden, wenn ein relativ geringer Ge-Anteil für die Absorberschicht verwendet wird. In einer Ausführungsform umfasst eine spezielle Struktur:
rostfreien Stahl/Aluminium/ZnO/a-Si n/a-SiGe intrinsisches/a-Si p oder nanokristallines p-/a-Si n/a-Si intrinsisches a-Si p oder nanokristallines p/SnO₂:F.
Die Dicke der entsprechenden Schichten sind ungefähr: 0,1 mm/100nm/500nm/10 nm/150nm/10nm/10nm/150nm/10nm/200nm für optimale Sonneneinstrahlung.
Die Breite jedes Abschnitts der Photoelektrode 4 beträgt ungefähr 5 bis 10 cm, während die Länge in der Größenordnung eines Meters liegt. Die optimale Breite der Elektrode wird durch die effektive Ionenleitfähigkeit, die größte aktive Fläche der Elektrode bei Sonneneinstrahlung und die geringsten Material- und Fertigungskosten bestimmt.
In gewissen Ausführungsformen werden die Dicke und die Bandlücke einer a-Si- und einer a-Si-Ge intrinsischen Schicht so eingestellt, dass zwei komponentige Solarzellen den gleichen elektrischen Strom bei der spezifizierten Strahlung erzeugen. Bei Elektronenstrahlung ist es vorteilhaft, dass die Dicke der i-Schichten wesentlich größer als bei Photonenstrahlung ist.
In gewissen Ausführungsformen weist die photoelektrische Elektrode zumindest eine der folgenden Solarzellentypen auf: amorphes Silizium (a-Si), Cadmiumtellurid (CdTe), Kupferindiumdiselenid (CuInSe₂), Kupferindiumgalliumdiselenid (CIGS), III-V (GaAs, InP,etc.), kristallines Silizium (c-Si), Dünnschichtsilizium (dünn-Si), oder Variationen oder Kombinationen davon. Ferner weist in gewissen Ausführungsformen die photovoltaische Elektrode mehrere Übergänge auf, wozu zwei Übergänge, drei Übergänge und mehr Übergänge gehören, wobei ausreichend Spannung für die Elektrolyse erzeugt wird. In noch weiteren Ausführungsformen ist in mindestens einem der photovoltaischen Übergänge in der Photoelektrode mit den mehreren Übergängen amorphes Silizium verwendet.
In anderen Ausführungsformen werden auch Solarzellen mit Dreifachübergängen a-Si-a-SiGe/a-SiGe, a-Si/a-Si/a-SiGe, a-Si/a-SiGe/μc-Si, oder a-Si/μc-Si/μc-Si verwendet, um eine ausreichende Spannung zu erzeugen, anstatt dass Doppelsolarzellen mit zwei Übergängen verwendet werden. Ferner ist in gewissen Ausführungsformen ein höchstliegender Übergang am dichtesten an der Strahlung in der photovoltaischen Elektrode angeordnet und umfasst einen Festkörperübergang, der zwischen p-und n-Halbleitern hergestellt ist.
Die vorangegangene detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient lediglich zur Veranschaulichung. Alle hierin offenbarten Referenzen sind explizit durch Bezugnahme mit eingeschlossen. Der Fachmann erkennt, dass diverse Änderungen und Modifizierungen durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Daher ist die gesamte vorhergehende Beschreibung lediglich als anschaulich und nicht als einschränkend zu betrachten, so dass der Schutzbereich der Erfindung vollständig durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
Zusammenfassung
Eine integrierte photoelektrochemische (PEC) Zelle erzeugt Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, während diese mit Strahlung (10) bestrahlt wird. In der PEC-Zelle ist ein flüssiger Elektrolyt (E), eine photovoltaische Elektrode (4) mit mehreren Übergängen und eine dünne Ionenaustauschmembran (7) verwendet. Ferner ist ein PEC-System und ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen PEC-Zelle und eines derartigen PEC-Systems ebenso offenbart.

Claims

Photoelektrochemische (PEC) Zelle mit: mindestens einer photovoltaischen Elektrode, die bei Bestrahlung Spannung erzeugt; mindestens einem Elektrolyt; einem Behälter, der das Elektrolyt hält; einer Oberseitenabdeckung, die im Wesentlichen für die Strahlung transparent ist; mindestens einem Mechanismus, der den Behälter in zwei Kammern für Oxidations- und Reduktionsreaktionen unterteilt; und einer Struktur, die es ermöglicht, dass ausreichend Strahlung den Bereich der Photoelektrode erreicht.
PEC-Zelle nach Anspruch 1, wobei die photovoltaische Elektrode mindestens einen der folgenden Solarzellentypen umfasst: amorphes Silizium (a-Si), Cadmiumtellurid (CdTe), Kupferindiumdiselenid (CuInSe₂), Kupferindiumgalliumdiselinid (CIGS), III-V (GaAs, InP, etc.), kristallines Silizium (c-Si), Dünnschichtsilizium (dünn-Si) oder Variationen und Kombinationen davon.
PEC-Zelle nach Anspruch 2, wobei die photovoltaische Elektrode mehrere Übergänge aufweist, wozu zwei Übergänge, drei Übergänge und mehr Übergänge gehören, wobei ausreichend Spannung für Elektrolyse erzeugt wird.
PEC-Zelle nach Anspruch 3, wobei in mindestens einem der photovoltaischen Übergänge in der Photoelektrode mit mehreren Übergängen amorphes Silizium verwendet ist.
PEC-Zelle nach Anspruch 3, wobei ein höchstliegender Übergang in der photovoltaischen Elektrode der Strahlung am nächsten ist und wobei der höchstliegende Übergang einen Flüssigkeitsübergang zwischen einem Halbleiter und dem Elektrolyten aufweist.
PEC-Zelle nach Anspruch 5, wobei der Halbleiter, der einen Übergang mit dem Elektrolyten bildet, mindestens ein Metalloxid aufweist, das in dem Elektrolyten stabil ist.
PEC-Zelle nach Anspruch 6, wobei das Metalloxid TiO₂, WO₃ oder Fe₂O₃ oder Kombinationen davon aufweist.
PEC-Zelle nach Anspruch 6, wobei das Metalloxid mindestens mit einem weiteren Material verbunden wird, wozu Ca und/oder Mg gehört, um die Strahlungsabsorption zu vergrößern.
PEC-Zelle nach Anspruch 5, wobei der Halbleiter, der einen Übergang mit dem Elektrolyten bildet, mindestens einen III-V-Verbindungshalbleiter aufweist, der in dem Elektrolyten stabil ist.
PEC-Zelle nach Anspruch 9, wobei der III-V-Verbindungshalbleiter mindestens eines von den folgenden Materialien aufweist: InGaN, GaPN, GaAsPN, GaP und Kombinationen davon.
PEC-Zelle nach Anspruch 5, wobei der Halbleiter, der einen Übergang mit dem Elektrolyten bildet, mindestens einen Gruppe- IV-Halbleiter oder eine Halbleiterlegierung aufweist, die in dem Elektrolyten stabil ist.
PEC-Zelle nach Anspruch 11, wobei der Gruppe-IV-Halbleiter oder die Halbleiterlegierung mindestens eines der folgenden Materialien aufweist: Si, C, Ge, Sn, SiC, GeC und Kombinationen davon.
PEC-Zelle nach Anspruch 3, wobei der oberste Übergang der Strahlung in der photovoltaischen Elektrode am nächsten liegt und einen Festkörperübergang aufweist, der zwischen einem p-Halbleiter und einem n-Halbleiter gebildet ist.
PEC-Zelle nach Anspruch 13, wobei die Photoelektrode mit einer Schicht einer transparenten, leitenden und korrosionsbeständigen (TCCR) Beschichtung beschichtet ist.
PEC-Zelle nach Anspruch 14, wobei die TCCR-Schicht ein Material auf Metalloxidbasis aufweist.
PEC-Zelle nach Anspruch 15, wobei die Metalloxid-TCCR-Schicht TiO₂, WO₃ oder Fe₂O₃ und Kombinationen davon aufweist.
PEC-Zelle nach Anspruch 15, wobei die Metalloxid-TCCR-Schicht mit mindestens einem anderen Element dotiert ist, wozu F, Cl und Mischungen davon gehören, um die Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion zu vergrößern.
PEC-Zelle nach Anspruch 15, wobei die Metalloxid-TCCR-Schicht mit mindestens einem weiteren Element dotiert ist, um einen gleichrichtenden Übergang zwischen dem Oxid und dem Elektrolyten abzuschwächen oder zu entfernen und um den Übergangswiderstand zu verkleinern.
PEC-Zelle nach Anspruch 14, wobei die TCCR-Schicht eine Nitridverbindung aufweist.
PEC-Zelle nach Anspruch 19, wobei die Nitridverbindung InGaN, GaPN, GaAsPN oder Variationen oder Kombinationen dieser Verbindungen aufweist, wobei sowohl kristalline als auch amorphe Formen mit eingeschlossen sind.
PEC-Zelle nach Anspruch 14, wobei die TCCR-Schicht eine Karbidverbindung aufweist.
PEC-Zelle nach Anspruch 21, wobei die Karbidverbindung SiC, GeC oder Variationen und Kombinationen davon aufweist, wobei kristalline und amorphe Formen mit eingeschlossen sind.
PEC-Zelle nach Anspruch 14, wobei die TCCR-Schicht eine Verbindung auf Polymerbasis aufweist.
PEC-Zelle nach Anspruch 23, wobei die TCCR-Verbindung auf Polymerbasis Nanoverbindungsmaterialien aufweist mit einem Anteil aus Metall, der darin eingebettet ist, um die elektrische Leitfähigkeit zu vergrößern.
PEC-Zelle nach Anspruch 3, wobei die Strahlung Photonen, Elektronen oder andere energietragende Strahlungen und Teilchen umfasst.
PEC-Zelle nach Anspruch 25, wobei die Strahlung Sonnenstrahlung umfasst.
PEC-Zelle nach Anspruch 3, wobei der Mechanismus, der den Behälter in zwei Kammern unterteilt, mindestens eine dünne Ionenaustauschmembran aufweist.
PEC-Zelle nach Anspruch 27, wobei die Membran eine Kationenaustauschmembran und/oder eine Anionenaustauschmembran umfasst.
PEC-Zelle nach Anspruch 27, wobei die Ionenaustauschmembran senkrecht zu der Photoelektrode angeordnet ist, um zu ermöglichen, dass ein maximaler Anteil der Strahlung die Photoelektrode erreicht.
PEC-Zelle nach Anspruch 27, wobei die Ionenaustauschmembran hinter der Photoelektrode und von der Strahlung weggerichtet angeordnet ist, so dass ein maximaler Anteil der Strahlung die Photoelektrode erreicht.
PEC-Zelle nach Anspruch 30, wobei die Membran ein perfluorisiertes Polymer aufweist, das geringe Anteile an ionischen funktionalen Gruppen mit Schwefel und Kohlenstoff enthält.
PEC-Zelle nach Anspruch 31, wobei die Membran auf einen Träger aufgebracht ist.
PEC-Zelle nach Anspruch 32, wobei der Träger mikroporöses Polypropylen umfasst.
PEC-Zelle nach Anspruch 3, wobei der Elektrolyt sauer ist.
PEC-Zelle nach Anspruch 3, wobei der Elektrolyt basisch ist.
PEC-System, das die PEC-Zelle nach Anspruch 3 aufweist, und das ferner mindestens einen Sammelmechanismus umfasst, um von der PEC-Zelle erzeugte Gase zu sammeln.
PEC-System nach Anspruch 38, das mindestens einen Endadapter aufweist, der der PEC-Zelle Elektrolyt zuführt.
PEC-System nach Anspruch 36, das das Sammeln von Elektrolyt von PEC-Zelle umfasst, der mit Sauerstoffbläschen oder Wasserstoffbläschen gemischt ist.
PEC-System nach Anspruch 37, wobei der Endadapter eine Oberseitenöffnung aufweist, die funktionsmäßig mit einer oberen Kammer verbunden, und eine Unterseitenkammeröffnung aufweist, die funktionsmäßig mit einer unteren Kammer verbunden ist, wobei Elektrolyt aus der PEC-Zelle in die Oberseitenöffnung und die Unterseitenöffnung über einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal, die entsprechend mit der Oberseitenöffnung und der Unterseitenöffnung verbunden sind, und aus einer ersten und einer zweiten Auslassröhre, die funktionsmäßig mit entsprechend mit der ersten und zweiten Auslassröhre funktionsmäßig verbunden sind, strömt.
PEC-System nach Anspruch 39, wobei die Photoelektrode eine nipnip-Zelle ist, bei der auf einer Strahlungsseite positive Spannung erzeugt wird.
PEC-System nach Anspruch 39, wobei die Photoelektrode eine pinpin-Zelle ist, wobei auf einer Strahlungsseite negative Spannung erzeugt wird.
PEC-System nach Anspruch 40, wobei Wasserstoffgas in der unteren Kammer erzeugt wird und aus der ersten Auslassröhre austritt und wobei Sauerstoff in der oberen Kammer erzeugt wird und aus der zweiten Auslassröhre austritt.
PEC-System nach Anspruch 41, wobei Sauerstoffgas in der unteren Kammer erzeugt wird und aus der ersten Auslassröhre austritt, und wobei Wasserstoff in der oberen Kammer erzeugt und aus der zweiten Auslassröhre austritt.
PEC-System nach Anspruch 42, das ferner eine erste und eine zweite Pumpe zum Umwälzen von Elektrolyt umfasst, wobei Gase und Elektrolyt durch die Pumpen mittels eines ersten und eines zweiten Gassammelbehälters umgewälzt werden, so dass Wasserstoff an einem ersten Sammelanschluss in einem ersten Gassammelbehälter und Sauerstoff an einem zweiten Sammelanschluss in einem zweiten Gassammelbehälter gesammelt wird; und wobei Elektrolyt von dem ersten und dem zweiten Umwälzanschluss zurück in die untere und die obere Kammer mittels einer dritten und einer vierten Einlassröhre, die funktionsmäßig mit einem zweiten Endadapter an einem gegenüberliegenden Ende der PEC-Zelle verbunden ist, strömt.
PEC-System nach Anspruch 43, das ferner eine erste und eine zweite Pumpe zum Umwälzen von Elektrolyt aufweist, wobei Gase und Elektrolyt durch die Pumpe mittels eines ersten und eines zweiten Gassammelbehälters umgewälzt werden, so dass Sauerstoff an einem ersten Sammelanschluss in einem ersten Gassammelbehälter und Wasserstoff an einem zweiten Sammelbehälteranschluss in einem zweiten Gassammelbehälter gesammelt werden; und wobei Elektrolyt von dem ersten und dem zweiten Umwälzanschluss zurück in die untere und obere Kammer über eine dritte und eine vierte Einlassröhre, die funktionsmäßig mit einem zweiten Endadapter an einem gegenüberliegenden Ende der PEC-Zelle verbunden sind, strömt.
PEC-System nach Anspruch 44, das ferner erste und zweite Wassereinlassventile und Schalter aufweist, die funktionsmäßig über einen ersten und einen zweiten Anschluss mit dem ersten und dem zweiten Gassammelbehälter verbunden sind, um ein Einströmen von zusätzlichem Wasser in das System zu ermöglichen.
PEC-System nach Anspruch 45, das ferner erste und zweite Wassereinlassventile und Schalter aufweist, die funktionsmäßig über einen ersten und einen zweiten Anschluss mit dem ersten und dem zweiten Gassammelbehälter verbunden sind, um ein Einströmen von zusätzlichem Wasser in das System zu ermöglichen.
Verfahren zur Herstellung der PEC-Zelle nach Anspruch 3, mit Abscheiden eines Katalysators auf einem Substrat, Abscheiden einer reflektierenden Metallschicht und einer ersten transparenten leitenden Oxid- (TCO) Schicht auf dem Metallsubstrat mittels mindestens einem geeigneten Dünnfilmabscheideprozess, Abscheiden mehrerer Halbleiterschichten auf der TCO-Schicht, und Abscheiden mindestens einer zweiten TCO-Schicht, die auf einer obersten Schicht der Halbleiterschichten abgeschieden ist.
Verfahren zur Herstellung der PEC-Zelle gemäß Anspruch 48, wobei das Substrat eine Metallfolie oder Platte umfasst.
Verfahren zur Herstellung der PEC-Zelle nach Anspruch 48, wobei die reflektierende Metallschicht eine Aluminiumschicht umfasst.
Verfahren zur Herstellung der PEC-Zelle nach Anspruch 48, wobei die erste transparente leitende Oxid- (TCO) Schicht Zinnoxid und/oder Zinkoxid aufweist.
Verfahren zur Herstellung der PEC-Zelle nach Anspruch 48, wobei der Dünnfilmabscheideprozess eine Verdampfung und/oder ein Sputtern und/oder ein anderes geeignetes Abscheideverfahren umfasst.
Verfahren zur Herstellung der PEC-Zelle nach Anspruch 48, wobei die mehreren Halbleiterschichten Halbleiterschichten auf a-Si-Basis umfassen.
Verfahren zur Herstellung der PEC-Zelle nach Anspruch 48, wobei eine dünne Schicht aus Katalysatormaterial auf der zweiten TCO-Schicht abgeschieden wird.
Verfahren zur Herstellung der PEC-Zelle nach Anspruch 48, wobei das Katalysatormaterial eine dünne Schicht aus Kohlenstoffpulver mit Kügelchen in Mikrometergröße, die Pt-Teilchen in Nanometergröße tragen, aufweist.
Verfahren zur Herstellung der PEC-Zelle nach Anspruch 48, wobei das Kohlenstoffpulver auf die TCO-Schicht aufgepresst oder mit dieser verbunden wird.
Verfahren zur Herstellung der PEC-Zelle nach Anspruch 48, wobei der Katalysator auf ausgewählte Gebiete aufgebracht wird derart, dass der Katalysator im Wesentlichen eintreffende Strahlung nicht blockiert.
Verfahren zur Herstellung des PEC-Systems, das im Anspruch 32 beschrieben ist, mit: funktionsmäßiges Verbinden eines Endadapters, der eine Oberseitenöffnung aufweist, mit einer oberen Kammer, und einer Unterseitenöffnung mit einer unteren Kammer, wobei Elektrolyt aus der PEC-Zelle in die Oberseitenöffnung und die Unterseitenöffnung über einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal, die entsprechend funktionsmäßig mit der Oberseitenöffnung und der Unterseitenöffnung verbunden sind und aus einer ersten und einer zweiten Auslassröhre, die funktionsmäßig entsprechend mit dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal funktionsmäßig verbunden sind, strömt.
Verfahren nach Anspruch 58, wobei die Photoelektrode eine nipnip-Zelle ist, bei der positive Spannung an einer Strahlungsseite erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 58, wobei die Photoelektrode eine pinpin-Zelle ist, wobei auf einer Strahlungsseite negative Spannung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei Wasserstoffgas in der unteren Kammer erzeugt wird und aus der ersten Auslassröhre austritt, und wobei Sauerstoff in der oberen Kammer erzeugt wird und aus der zweiten Auslassröhre austritt.
Verfahren nach Anspruch 60, wobei Sauerstoffgas in der unteren Kammer erzeugt wird und aus der ersten Auslassröhre austritt, und wobei Wasserstoff in der oberen Kammer erzeugt wird und aus der zweiten Auslassröhre austritt.
Verfahren nach Anspruch 61, das ferner umfasst: Umwälzen von Elektrolyt, wobei Gase und Elektrolyt durch die Pumpen durch einen ersten und einen zweiten Kammerbehälter so umgewälzt werden, dass Wasserstoff an einem ersten Sammelanschluss in einem ersten Gassammelbehälter und Sauerstoff an einem zweiten Sammelanschluss in einem zweiten Gassammelbehälter gesammelt wird; und wobei Elektrolyt von dem ersten und dem zweiten Umwälzanschluss zurück in die untere und die obere Kammer über eine dritte und eine vierte Einlassröhre, die funktionsmäßig mit einem zweiten Endadapter an einem gegenüberliegenden Ende der PEC-Zelle funktionsmäßig verbunden sind, strömt.
Verfahren nach Anspruch 62, das ferner umfasst: Umwälzen von Elektrolyt, wobei Gase und Elektrolyt durch die Pumpen durch einen ersten und einen zweiten Kammerbehälter so umgewälzt werden, dass Sauerstoff an einem ersten Sammelanschluss in einem ersten Gassammelbehälter und Wasserstoff an einem zweiten Sammelanschluss in einem zweiten Gassammelbehälter gesammelt wird; und wobei Elektrolyt von dem ersten und dem zweiten Umwälzanschluss zurück in die untere und die obere Kammer über eine dritte und eine vierte Einlassröhre, die funktionsmäßig mit einem zweiten Endadapter an einem gegenüberliegenden Ende der PEC-Zelle funktionsmäßig verbunden sind, strömt.
Verfahren nach Anspruch 63, das ferner umfasst: Hinzufügen von Wasser über erste und zweite Wassereinlassventile und Schalter, die funktionsmäßig über einen ersten und einen zweiten Anschluss mit dem ersten und dem zweiten Gassammelbehälter funktionsmäßig verbunden sind, um das Einströmen von zusätzlichem Wasser in das System zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 64, das ferner umfasst: Hinzufügen von Wasser über erste und zweite Wassereinlassventile und Schalter, die funktionsmäßig über einen ersten und einen zweiten Anschluss mit dem ersten und dem zweiten Gassammelbehälter funktionsmäßig verbunden sind, um das Einströmen von zusätzlichem Wasser in das System zu ermöglichen.
PEC-Zelle nach Anspruch 1, wobei die Elektrode aufweist: ein Metallsubstrat mit einem Metallreflektor, ein transparentes leitendes Oxid (TCO), eine n- a-Si-Schicht, eine intrinsische a-Si-Ge-Schicht oder eine mikrokristalline Siliziumschicht, eine p- a-Si basierte Schicht, eine n- a-Si-Schicht, eine intrinsische a-Si-Schicht oder eine a-Si-Ge-Schicht, eine p- a-Si basierte Schicht, eine n- a-Si-Schicht, eine intrinsische a-Si-Schicht, eine p- a-Si basierte Schicht (nipnipnip-Schichten), eine TCO-Schicht.
PEC-Zelle nach Anspruch 67, wobei das Substrat mit wasserstoffförderndem Katalysator beschichtet ist und die obere TCO-Schicht mit einem sauerstofffördernden Katalysator bedeckt ist.
PEC-Zelle nach Anspruch 68, wobei die Oberseiten-TCO-Schicht Zinnoxid und/oder fluordotiertes Zinnoxid aufweist.
PEC-Zelle nach Anspruch 1, wobei die Elektrode aufweist: ein Metallsubstrat, einen Metallreflektor, eine transparente leitende Oxid- (TCO) Schicht, eine p- a-Si basierte Schicht, eine intrinsische a-Si-Ge-Schicht oder eine mikrokristalline Siliziumschicht, eine n- a-Si-Schicht, eine p- a-Si basierte Schicht, eine intrinsische a-Si-Schicht oder eine a-Si-Ge-Schicht, eine n- a-Si-Schicht, eine p- a-Si-basierte Schicht, eine intrinsische a-Si-Schicht, eine n- a-Si-Schicht (pinpinpin-Schichten), eine TCO-Schicht.
PEC-Zelle nach Anspruch 70, wobei das Substrat mit einem sauerstofffördernden Katalysator beschichtet ist und die obere PCO-Schicht mit einem wasserstofffördernden Katalysator bedeckt ist.