[发明专利]具有提高的光电压的多结人工光合电池

说明书

一种多结人工光合单元，包括具有多个半导体层的有源元件，其中半导体层之间沉积的金属层与相邻的半导体层的表面适当地形成肖特基势垒结或欧姆结。有源元件在由多孔氧化铝形成的保护结构内形成。有源元件的连续层可以在保护结构内形成，并且可以添加额外的层和结直到实现所需光电压。一种由太阳能的氧化还原反应驱动的用于生产燃料和化学品的光反应器，包括填充有原料溶液的袋反应器。多个多结光合单元被放置在原料溶液中以驱动氧化还原反应并生产所需的燃料和化学品。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年3月21日提交的美国临时申请号61/968,598以及2015年3月16日提交的美国实用申请号14/659,243的权益。其公开内容以其整体并入本文。

技术领域

本文所公开的是光电催化装置和方法，包括多结人工光合部件及其使用和制造方法。

背景技术

开发用于水裂解和二氧化碳还原的廉价的太阳能燃料转化工艺可能会产生净零碳排放的燃料或工业化学品。基于单独的热力学要求，需要具有光子能量大于1.23电子伏特的太阳辐射以裂解水或还原CO₂为燃料。然而，在光阳极的水氧化是动力学缓慢过程，同样在光阴极的CO₂还原需要高的超电势，导致实际能量需求大于2.0V。因此，使用单一的光吸收器单元用于裂解水或CO₂还原需要具有大带隙(Eg>2.5eV)的半导体，限制了太阳光谱的相当大部分的开发。

已经提出一些策略以增加可获得的光电压同时最大限度地吸收太阳光。一个策略是使用多结/串联光伏设计以将地球太阳光谱中的大部分转换成可被用作燃料和化学品的高自由能的材料。据估计，这些策略能够实现～18％太阳能到氢转换效率。Rocheleau,R.&Miller,E.Energy Fuels 12,3(1998)。事实上，二十世纪九十年代，John Turner和他的同事们已经证明，使用多结III-V半导体12.4％的太阳能到H2的转换效率。Khaselev,O.&Turner,J.Science 280,425(1998)。然而，与使用三结a-Si的装置制造相关的高成本和复杂性(Weber,M.&Dignam,M.J.Electrochem.Soc.131(1984))和III-V半导体已经阻止了商业实现。而且在长时间严酷电化学条件下其稳定运行仍然不足。

因此，已经并仍然需要找到仅使用太阳光作为用于燃料和化学品的太阳能驱动生产的能量输入的新颖的、碳中性能量循环的可靠的电化学装置和方法。这样的装置和方法应能提供足够的光电压，同时使太阳光吸收最大化。此外，这样的装置和方法应抵抗严酷电化学环境的腐蚀作用。

发明内容

本文所公开的是来自简单的低成本的电化学方法的具有新颖结构的多结光合单元。本文所公开的实施方案以有效和稳定的方式提供了足够的自由能以裂解水和/或还原CO₂为燃料和化学品。

某些实施方案包括使用低成本的合成技术以获得具有设计的组成、尺寸和形状控制的半导体材料。某些实施方案包括含地球上丰富的元素的半导体材料。某些实施方案包括纳米多孔氧化铝模板来创建无视光腐蚀和严酷电化学活性环境的其他降解影响(degradative effects)的容错(fault-tolerant)系统。

某些实施方案包括制造高效率低成本的多结光伏装置的方法，其使用简单的电化学路径增加光电化学电池的电压，用于驱动期望的电化学过程。

某些实施方案包括多结人工光合单元，其包括保护结构和保护结构内形成的有源元件(active element)，所述有源元件包括第一和第二半导体层和一个或多个布置在半导体层之间的金属层，各金属层与相邻半导体层的表面形成肖特基势垒结或欧姆结。