一種基于水空氣體系的太陽能電池的制作方法
【專利說明】
【技術領域】
[0001]本發明涉及太陽能電池領域，具體為一種基于水空氣體系的太陽能電池，其依靠光致電化學轉化實現能量轉化和電能輸出的能源裝置。
【【背景技術】】
[0002]光致電化學反應，是以光能為能量輸入促使電化學反應發生，實現能量轉換的過程。
[0003]水空氣體系太陽能電池中的光催化劑在受到光輻射照射時，半導體光催化劑被激發，產生自由電子，并同時生成強氧化性空穴。自由電子能在半導體中自由移動并經由外電路導出形成電流做功，強氧化性空穴能將體系中的水氧化生成氧氣和氫離子。電子和氫離子分別經過外電路和電解質達到陰極電極表面，在陰極，空氣中的氧氣通過擴散電極中的空隙達到電極表面與氫離子和電子發生氧還原反應，重新生成水。
[0004]目前的光催化劑能夠有效吸收太陽光，光催化劑的禁帶寬度越小，所能吸收的光譜范圍越大。此外，價帶的能態位置必須高于水的分解電位(1.229V vs NHE)才能將水氧化。
[0005]電解質的作用是提供離子運輸通道，保持電池內的電流導通狀態。
[0006]氣體擴散電極，允許氣體但阻止液體通過電極。通過使用此類電極，能夠在電化學反應過程中不斷補充反應所需氧氣。
【
【發明內容】
】
[0007]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于水空氣體系的太陽能電池；該體系下的太陽能電池具有低成本，高效及環境友好等特點。
[0008]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:
[0009]本發明的構思為:將納米級光催化劑負載在導電玻璃上，在獲得優良的透光率的同時，極大提高光催化劑的比表面積，提高電池性能。采用氣體擴散電池作為陰極，該種結構能直接利用空氣中的氧氣實現電化學循環。
[0010]一種基于水空氣體系的太陽能電池，負載有納米級光催化劑的導電玻璃與電解質及氣體擴散電極構成水空氣體系太陽能電池主體，氣體擴散電極為陰極導線將電池內部產生的電能弓丨出供外部用電器使用。
[0011]所述的水空氣體系的太陽能電池將光能轉化成電能。
[0012]所述的納米級光催化劑負載在導電玻璃上；通過化學合成或物理涂覆等方法將納米光催化劑負載到導電玻璃上；化學合成為水熱法或者醇熱法；物理涂覆為噴涂或者燒結。
[0013]所述的納米級光催化劑為納米棒狀二氧化鈦光催化劑。
[0014]所述的納米級光催化劑在光能激發下產生電子空穴對，電子經導電玻璃和導線輸送至外電路，空穴氧化水，產生氧氣和氫離子。
[0015]所述的氫離子經電解質輸運到氣體擴散電極處。
[0016]所述的電子經由導線到達氣體擴散電極處。
[0017]所述的空氣中的氧氣經由氣體擴散電極達到電極表面。
[0018]所述的氫離子、電子和氧氣在氣體擴散電極處發生氧還原反應重新水，實現水空氣體系太陽能電池的物質守恒。
[0019]所述的整個太陽能電池整體上不產生和消耗物質，實現將太陽能轉換為電能的過程。
[0020]一種基于水空氣體系的太陽能電池的制備方法:使用化學合成或物理涂覆等方法將納米光催化劑負載到導電玻璃上，保證光催化劑與導電玻璃之間接觸良好，并將導線從光陽極表面引出，采用水熱法在導電玻璃上合成納米棒狀二氧化鈦光催化劑；將制備好的光催化劑、電解質和氣體擴散陰極封裝成器，完成電池的制備過程。
[0021]如圖1所示，當光催化劑受光照激發時，處于禁帶的電極獲得能量被激發到導帶，同時留下帶正電的空穴。空穴與水分子反應生成氫氧自由基，自由基繼而分解生成氫離子和氧氣。導帶上的電子被陰陽兩極之間的電勢差驅動流過外電路并做功，最后到達陰極，與氫離子和氧分子發生氧還原反應，完成陰陽兩極電化學循環。該體系中的反應總結如下:
[0022]陽極
[0023]T12+hv — T12 (e-+h.)
[0024]h.+2H20 — 02+4H.+4e
[0025]陰極
[0026]4e +02+4H.— 2H20
[0027]為了提高電池的效率及性能，本發明在陰極采用氣體擴散電極。在陰極時刻補充氧氣，防止電解質中的氧氣不足。
[0028]與現有技術相比，本發明的積極效果是:
[0029]本發明結構簡單，成本低廉，制造方便，操作簡便，光電能量轉換率高于8%。
【【附圖說明】】
[0030]圖1是本水空氣體系太陽能電池原理示意圖；
[0031]圖2是本水空氣體系太陽能電池結構示意圖。
[0032]圖中1.負載納米級光催化劑的導電玻璃(光陽極)；2.電解質池；3.氣體擴散電極；4.陽極導線；5.陰極導線。
【【具體實施方式】】
[0033]以下提供本發明一種基于水空氣體系的太陽能電池的【具體實施方式】。
[0034]實施例1
[0035]一種基于水空氣體系的太陽能電池，負載有納米級光催化劑的導電玻璃與電解質及氣體擴散電極構成水空氣體系太陽能電池主體，氣體擴散電極為陰極導線將電池內部產生的電能弓丨出供外部用電器使用。
[0036]所述的水空氣體系的太陽能電池將光能轉化成電能。
[0037]所述的納米級光催化劑負載在導電玻璃上；通過化學合成或物理涂覆等方法將納米光催化劑負載到導電玻璃上；化學合成為水熱法或者醇熱法；物理涂覆為噴涂或者燒結。
[0038]所述的納米級光催化劑為納米棒狀二氧化鈦光催化劑。
[0039]所述的納米級光催化劑在光能激發下產生電子空穴對，電子經導電玻璃和導線輸送至外電路，空穴氧化水，產生氧氣和氫離子。
[0040]所述的氫離子經電解質輸運到氣體擴散電極處。
[0041]所述的電子經由導線到達氣體擴散電極處。
[0042]所述的空氣中的氧氣經由氣體擴散電極達到電極表面。
[0043]所述的氫離子、電子和氧氣在氣體擴散電極處發生氧還原反應重新水，實現水空氣體系太陽能電池的物質守恒。
[0044]所述的整個太陽能電池整體上不產生和消耗物質，實現將太陽能轉換為電能的過程。
[0045]在圖1中，光陽極1，電解質池2及氣體擴散電極3構成本水-空氣體系太陽能電池的主體。陽極導線4自導電玻璃處引出，以導出光生電子，陰極導線5將電子導入陰極參與還原反應。空氣從氣體擴散電極3擴散入電池中。
[0046]電池制備過程:使用化學合成(水熱法、醇熱法等)或物理涂覆(噴涂、燒結等)等方法將納米光催化劑負載到導電玻璃上，保證光催化劑與導電玻璃之間接觸良好，并將導線從光陽極I表面引出，本實例采用水熱法在導電玻璃上合成納米棒狀二氧化鈦光催化齊U。將制備好的光催化劑、電解質(本實例使用硫酸溶液)和氣體擴散陰極封裝成器，完成電池的制備過程。
[0047]電池操作過程為:光照射到光陽極I上的光催化劑，光催化劑被激發產生光生電子-空穴對，由于光催化陽極與陰極之間的電勢差作用，光生電子被導線4導出到外電路，光生空穴與電解質池2中的水發生氧化反應，生成氧氣和氫離子。光生電子和氫離子分別經外電路及電解質運動到陰極，空氣中的氧氣經過氣體擴散電極3中的空隙達到陰極表面與電子和氫離子發生氧還原反應，重新生成水。整個體系不產生和消耗物質，能量由光能轉化為電能。以本實例為例，水-空氣體系太陽能電池最大能夠產生2.4mA/cm2的電流，光電能量轉換率達8%。
[0048]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種基于水空氣體系的太陽能電池，其特征在于，負載有納米級光催化劑的導電玻璃與電解質及氣體擴散電極構成水空氣體系太陽能電池主體，氣體擴散電極為陰極導線將電池內部產生的電能弓丨出供外部用電器使用。
2.如權利要求1所述的一種基于水空氣體系的太陽能電池，其特征在于，所述的水空氣體系的太陽能電池將光能轉化成電能。
3.如權利要求1所述的一種基于水空氣體系的太陽能電池，其特征在于，所述的納米級光催化劑負載在導電玻璃上；通過化學合成或物理涂覆等方法將納米光催化劑負載到導電玻璃上；化學合成為水熱法或者醇熱法；物理涂覆為噴涂或者燒結。
4.如權利要求1所述的一種基于水空氣體系的太陽能電池，其特征在于，所述的納米級光催化劑為納米棒狀二氧化鈦光催化劑。
5.如權利要求1所述的一種基于水空氣體系的太陽能電池，其特征在于，所述的納米級光催化劑在光能激發下產生電子空穴對，電子經導電玻璃和導線輸送至外電路，空穴氧化水，產生氧氣和氫離子。
6.如權利要求5所述的一種基于水空氣體系的太陽能電池,其特征在于，所述的氫離子經電解質輸運到氣體擴散電極處。
7.如權利要求5所述的一種基于水空氣體系的太陽能電池，其特征在于，所述的電子經由導線到達氣體擴散電極處。
8.如權利要求5所述的一種基于水空氣體系的太陽能電池,其特征在于,所述的空氣中的氧氣經由氣體擴散電極達到電極表面。
9.如權利要求5所述的一種基于水空氣體系的太陽能電池,其特征在于,所述的氫離子、電子和氧氣在氣體擴散電極處發生氧還原反應重新水，實現水空氣體系太陽能電池的物質守恒。
10.一種基于水空氣體系的太陽能電池的制備方法，其特征在于，其具體步驟為，使用化學合成或物理涂覆等方法將納米光催化劑負載到導電玻璃上，保證光催化劑與導電玻璃之間接觸良好，并將導線從光陽極表面引出，采用水熱法在導電玻璃上合成納米棒狀二氧化鈦光催化劑；將制備好的光催化劑、電解質和氣體擴散陰極封裝成器，完成電池的制備過程。
【專利摘要】本發明一種基于水空氣體系的太陽能電池，負載有納米級光催化劑的導電玻璃與電解質及氣體擴散電極構成水空氣體系太陽能電池主體，氣體擴散電極為陰極導線將電池內部產生的電能引出供外部用電器使用。本發明基于水空氣體系的太陽能電池具有綠色，高效，環境友好等優點。區別于使用有毒物質作為工作介質的太陽能電池(燃料敏化太陽能電池，鈣鈦礦型太陽能電池)，水空氣體系太陽能電池僅使用水和空氣作為電子供體和受體，實現太陽能電能之間的高效轉化。
【IPC分類】H01G9-20
【公開號】CN104576068
【申請號】CN201410081004
【發明人】宣晉, 張 浩, 徐宏, 張莉, 王慧至, 梁國熙
【申請人】華東理工大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年3月6日