[发明专利]一种面向光解水制氢的集成器件及其制作方法

说明书

本发明属于太阳能利用相关领域，其公开了一种面向光解水制氢的集成器件及其制作方法，所述集成器件包括光阳极、钙钛矿太阳能电池及光阴极，其特征在于：所述光阳极与所述钙钛矿太阳能电池的透明导电基底绝缘贴合，并与所述钙钛矿太阳能电池的对电极电性连接；所述光阳极吸收紫外光及一部分可见光，另一部分可见光穿过所述光阳极激发所述钙钛矿太阳能电池产生偏压；所述对电极形成在所述钙钛矿太阳能电池的钙钛矿层或空穴传输层上，并与所述光阴极绝缘贴合，所述光阴极与所述钙钛矿太阳能电池的透明导电基底电性连接。本发明的集成器件的光阳极及太阳能电池利用太阳光光谱中的不同部分，提高了光转化效率，且无需外界辅助即可独立实现光解水制氢。

技术领域

本发明属于太阳能利用相关领域，更具体地，涉及一种面向光解水制氢的集成器件及其制作方法。所述面向光解水制氢的集成器件适用于太阳能的利用，其无需外界辅助，能够独立实现光解水制氢，提高了光利用率，有利于光解水制氢技术的推广应用。

背景技术

随着全球经济的迅猛发展，对能源的需求越来越大。目前全球能源供给主要依赖于传统的化石能源，但化石能源储量有限，并且在燃烧利用的同时会排放各类有害气体，造成全球气候日趋恶化，且传统化石能源难以维系全球经济、社会的可持续发展。氢能源作为一种典型的二次能源具有能量密度高、无毒污染、利用形式多等诸多优点，并且是燃料电池的理想燃料，转化效率较高。建立以氢能源为基础的循环经济，很大程度上可以解决目前所面临的环境污染问题和经济可持续发展问题。太阳能取之不尽用之不竭，是一种清洁的、可再生的能源。利用太阳能实现光解水制氢将是推动经济发展，解决环境与能源危机的重要途径。

实现光解水制氢的关键在于光电极的制备，合适的能带结构及良好的化学稳定性是光电极的必备条件。考虑到自由能的变化以及氧化还原反应动力学的要求，将H₂O分解为H₂和O₂至少需要1.8～2.0V的光电压。理论上这个值可以通过选取具有合适的导带和价带的半导体材料在可见光的照射下实现，一种半导体吸收2个光子产生一个H₂分子。然而，事实证明设计这样一种既能够产生具有高光电压的载流子且具有合适的能带结构驱动水的分解的体系是比较困难的。增加带隙会产生较高的光电压，但这会降低对太阳光的吸收率，降低光电流。这种基于单一半导体的体系不可避免的面临着这种动力学上的限制，同时也经常受到化学稳定性的困扰。因此，一种比较明智的方式是：由半导体复合体系利用4个电子产生一个H₂分子实现光解水制氢。

纳米异质结构在光谱利用方面展现出了良好的性能，但其电子传输仍然需要借助于外界偏压以提高其光转化效率，限制了光解水制氢技术的推广应用。相应地，本领域存在着开发可独立高效实现光解水制氢的集成器件及其制作方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种面向光解水制氢的集成器件及其制作方法，所述集成器件结合半导体符合理念，并对光阳极的结构及其连接关系进行设计。所述集成器件的光阳极及太阳能电池利用太阳光谱中的不同部分，提高了光转化效率，无需外界辅助，能够独立实现光解水制氢，有利于光解水制氢技术的推广应用。

为实现上述目的，本发明提供了一种面向光解水制氢的集成器件，其包括光阳极、钙钛矿太阳能电池及光阴极，其特征在于：

所述光阳极与所述钙钛矿太阳能电池的透明导电基底绝缘贴合，并与所述钙钛矿太阳能电池的对电极电性连接；所述光阳极采用带隙在2.5eV以上的半导体活性材料薄膜，所述薄膜厚度小于3μm，使得所述光阳极吸收紫外光而让50％以上的可见光通过，通过所述光阳极的可见光激发所述钙钛矿太阳能电池产生偏压；

所述对电极与所述光阴极绝缘贴合，所述光阴极与所述钙钛矿太阳能电池的透明导电基底电性连接。