专利名称：一种高效自耦合太阳能制氢系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能制氢系统，具体的是光氢转化效率高的太阳能制氢 系统。
背景技术：
地球上氢主要以化合物水的形式存在，其燃烧值高，空气中燃烧主要产物 是水，无污染，水又用来制氢，如此循环。基于此，氢能同时满足资源、环境 和可持续发展的要求，成为最有希望替代现有矿物能源的清洁能源，利用可再 生能源制氢是开发氢能源的有效途径。目前以水为原料利用核能和太阳能大规 模制氢，已成为世界各国共同努力的目标，其中太阳能制氢最具吸引力和现实 意义。
1972年Fujishima禾B Honda首次报道了 n-型半导体丁102分解水，开创了
太阳能制氢的新纪元。利用太阳能分解水制氢的方法主要包括太阳能热分解
水制氢、太阳能光伏电解水制氢、太阳能光催化分解水制氢、太阳能生物制氢
等。由于热分解水对反应温度要求苛刻，研究进展相对缓慢；太阳能生物制氢 也尚属于起步研究阶段。所以人们对太阳能光解水制氢工作主要集中在光催化 分解水制氢和太阳能光伏电解水制氢。
传统的太阳能光伏电解水制氢其发电系统一般为太阳能电池方阵，须经最 大功率点跟踪器(MPPT)控制调节电压和功率，使其与电解池匹配，但同时使 得功效损失，降低了太阳能-氢的转化效率，通常太阳能-氢的转化效率仅为10% 左右。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为了解决现有太阳能分解水制氢技术存在的不 足，提供一种无需太阳能功率点跟踪器(MPPT)控制调节电压和功率，并可大幅度提高光-氢转化效率的太阳能制氢系统。
本发明的高效太阳能制氢系统包括多个子系统，每个子系统由光电单元及
电解单元组成，其中光电单元的材质为Ah.xGaxAs/Si ，电解单元由Pt基阴极材 料、氧化钌基阳极材料及1MHC104或1MK0H电解液构成，所述光电单元及 电解单元直接连接后，光电单元为电解单元提供1.30~1.40V的电解电压。
所述光电单元的材质组成为Ah.xGaxAs/Si，其中X优选为0.85。即由多层 宽带隙Al。.15Ga。.85As (Eg=1.6eV)和窄带隙Si (Eg= l.leV)组成。其制备方法 为采用金属有机化学气相淀积法(MOCVD)，由Al和GaAs掺杂调制成宽带 隙，使AlGaAs层和p-GaAs顶层在Si原子上持续生长，底层由p+-Si/n-Si/n+-Si 多结组成。MgF2/ZnS层是消反射膜。Au-Zn/Au禾B Au-Sb/Au干燥后作为p-电 极和n-电极的接触面。
所述电解单元Pt基阴极材料，通过将H2PtCl6和Pb(C2H302)2溶于水中制得
电镀液，将Pt网用稀硝酸清洗，然后用水洗，最后浸入电镀液。用4V的阴极 电压，在0.5mol/LH2SO4溶液中电解去除杂质氯，然后水洗制得Ptblaek。电解单
元阳极材料，通过将钛片进行打磨、蚀刻、水洗等预处理，将其浸入一定浓度 含有RuCl3( 20°/。盐酸溶液)或其他盐的混合溶液，蒸干溶剂，在350°C焙烧15min，
重复涂敷五次，最后在350。C 40(TC焙烧lh，自然降至室温。
本发明的理论依据为
25。C水的理论分解电压为1.229V，由于过电势的存在，水的实际分解电压 都高于L229V，使得其电解效率降低。附图1为25。C不同电压电解水的电解效 率，由该图可以看出工作电压越趋近于1.229￥,其电解效率会越高。
而本发明光电单元的材质为多带隙Al^GaxAs/Si材料，因为该材料可以与 太阳能光谱匹配，可最大限度利用太阳能，所以该光电单元可以为电解单元提 供电解所需的最大能量，并可调整其最大功率点以满足不同工作电压的需要。
本发明的技术效果是该制氢系统的光电单元与电解单元自耦合在一起， 使得光电单元与太阳能全光谱相匹配，这样使得光电单元最大功率点电压与电解单元电解电压相匹配，光电单元最大功率点与电解单元的功率点耦合匹配，
从而最大限度地提髙太阳能-氢的转化效率。
图1一个光电池单元和一个电解池单元集成构建的光解水制氢子系统 图2不同电压下电解水的效率曲线
图3 AM0照射下AlGaAs/Si光电单元工作特性曲线 图4电解单元中Ru02阳极与PW^阴极分解水工作曲线(lmol/LHC104) 图5电解单元Ruo.5Ce。.3Sno.202阳极与Ptt^k阴极分解水工作曲线(lmol/L KOH)
具体实施例方式
下面结合下面实施例及附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，该太阳能制氢系统的子系统包括光电单元(1)和电解单元(2)，
二者直接连接在一起即得自耦合集成构建光解水制氢子系统。
(1) 光电单元的技术参数
组成Al。.15Gao.85As/Si ，单元电极面积为0.22 cm2。
通过I-V曲线测试系统得到该光电单元的工作曲线(I-V)如附图3所示。
(2) 电解单元的技术参数及制备方法
组成阴极Ptblaek;阳极Ru02;电解质1M HC104，单元电极面积为
10 cm2。
① 阴极Ptb滅制备方法
将3g H2PtCl6和0.25g Pb(C2H302)2溶于100mL水中制得电镀液。将Pt网 (4cmx4cm)用稀硝酸清洗，然后用水洗，最后浸入到电镀液中。用4V的阴极 电压，在0.5mol/LH2SO4溶液中电解去除杂质氯，然后水洗。
② 阳极Ru02制备方法
用砂纸打磨Ti薄片，再用20%盐酸腐蚀2min，并水洗。将其浸入浓度为0.1mol/LRuCl3 (20%盐酸溶液)溶液中，蒸干溶剂，在35(TC焙烧15min，重复 以上步骤五次，然后在35(TC焙烧lh，自然降至室温即得阳极材料。 (3)光电单元与电解单元耦合连接后性能测试 采用50W的钨卤素灯为辐射光源，通过AM0太阳能模拟器校正太阳能转 化效率，其光强为135mW/cm2。
① 电压
经测试该系统光电单元的实际工作电压为1.36V，该电压与25"C水的理论 分解电压1.229V相匹配。
由此可以说明光电单元为电解单元提供的电压最大限度地接近25。C水的理 论分解电压，即光电单元与电解单元电压相耦合。
② 电流
经测试光电单元/ ^和电解单元/ *自耦合制氢其工作电流均为4.42mA。 则光电单元的工作电流密度7光为
_;光=-j = 20. lm乂 / cm
0.22cwi
由附图3可以看出，耦合后的光电单元工作性能(20.1mA/cm2， 1.36V)与
光电单元的工作曲线几乎重合，说明光电单元制氢几乎没有能量损失，即光能
最大程度转化成电能，电能又最大程度转化成氢能。
对电解单元进行工作曲线绘制如附图4所示，由附图4可以看出，电解单 元电压为1.36V时其所对应的工作电流密度为；y*=0.44mA/cm2。
因为/光=/电，所以有y光v4光=/电」电。
式中^——光电单元对应的电流密度，mA/cm2;
^光-光电单元面积，cm2;
_/、——电解单元电极电流密度，mA/cm2; ^电——电解单元面积，cm2 所以通过调节电解单元的面积可使光电单元产生的电流与电解单元的电流相吻合。
③光-电单元转化效率、光-氢转化效率
辐射光功率为尸1115麵。 = 135mW/cm2，测试得光电单元具体参数如下
开路电压F。e: 1.57V
短路光电流、23.6 mA/cm2 填充因子Ff: 0.772 最大功率点电压Fpm^ 1.30V 光-电转化效率
Hphoto-electro = Ffx KocX)sc/ PinsolationX 100%
=0.772xl.57Vx23.6 mA/cm2/135 mW/cm2xl00% =21.2% 光-氢转化效率
Tlptioto勿drogen = 1.229V Xj'光/ _Pinsolation
=20.lmA/cm2x 1.229 V/135 mW/cm2 xl00% = 18.3%
式中户ins。lati。n辐射光功率，mW/cm2;
由计算结果可知，光-氢转化效率非常趋近光-电转化效率，说明光电单元产 生的能量基本被电解单元所利用。
本实施例的光电单元与电解单元构建的高效集成自耦合型太阳能光解水制
氢系统太阳能利用效率达到18.3%。 实施例2
1. 光电单元同实施例1。
2. 电解单元中电解质为1M KOH (优级纯)，阴极为Ptwaek，阳极为 Ru05Ce0.3!Sn02O2O
(1) 阴极Ptbhek制备方法同实施例1。
(2) 阳极Ruo.5Ce。.3Sno.202
第一步钛片预处理用砂纸打磨20(Him厚度的Ti薄片，再用20%盐酸腐 蚀2min，并水洗。第二步取0.05mol RuClr3H2O、0.03molCe(SO4)2-4H2O、0.02mol SnCl2-2H20， 用20。/。的盐酸将其配制成Ru-Ce-Sn金属离子总浓度为0.1M的溶液。
第三步将处理好的钛片浸入配制好的溶液中，蒸干溶剂，在35(TC下焙烧 15min，重复以上步骤五次，然后在40(TC焙烧lh，这样在Ti片表面即可形成 Ru0.5Ce0.3Sn0.2O2层。
(3)光电单元与电解单元耦合性能测试
将光电单元和电解单元直接连接即得自耦合集成构建光解水制氢子系统， 以50W的钨卤素灯为辐射光源，操作条件同实施例l。测得光电单元的工作电 压为1.37V，所对应的光电单元电流密度为19.8mA/cm2。
对电解单元进行工作曲线绘制如附图5所示，由附图5可以看出，电解单 元电压为L37V时其所对应的工作电流密度为；7'*=0.42mA/cm2。
该系统光-氢转化效率达到<formula>formula see original document page 8</formula>
=19.8 mA/cm2xl.229 V/135 mW/cm2 乂酵/0 = 18.02%。 以上两个实施例的光氢转化效率接近20%，明显高于10%，所以可以说明系 统的光电单元与电解单元直接耦合连接，可提高太阳能制氢的光氢转化效率。
权利要求
1、一种高效自耦合太阳能制氢系统，包括多个子系统，每个子系统由光电单元及电解单元组成，其中光电单元的材质为Al1-xGaxAs/Si，电解单元由Pt基阴极材料、氧化钌基阳极材料及1M HClO4或1M KOH电解液构成，其特征在于光电单元及电解单元直接连接，连接后光电单元为电解单元提供1.30～1.40V的电解电压。
2、 按照权利要求l所述的高效自耦合太阳能制氢系统，其特征在于光电 单元及电解单元直接连接后光电单元为电解单元提供L35 1.38V的电解电压。
3、 按照权利要求l所述的高效自耦合太阳能制氢系统，其特征在于光电 单元的材质Al^GaxAs/Si中的X为0.85。
4、 按照权利要求l所述的高效自耦合太阳能制氢系统，其特征在于所述 氧化钌基阳极材料为Ru02。
5、 按照权利要求l所述的高效自耦合太阳能制氢系统，其特征在于所述 氧化钌基阳极材料为Ruo.5Ceo.3Sno.2O2。
全文摘要
本发明提供一种高效自耦合太阳能制氢系统，包括多个子系统，每个子系统由光电单元及电解单元组成，其中光电单元的材质为Al<sub>1-x</sub>Ga<sub>x</sub>As/Si，电解单元由Pt基阴极材料、氧化钌基阳极材料及1M HClO<sub>4</sub>或1M KOH电解液构成，其中光电单元及电解单元直接连接，连接后光电单元为电解单元提供1.30～1.40V的电解电压，该系统可大幅度提高太阳能-氢的转化效率。
文档编号C25B9/00GK101307458SQ20081006388
公开日2008年11月19日 申请日期2008年1月21日 优先权日2008年1月21日
发明者刘淑芝, 吴红军, 王宝辉 申请人:大庆石油学院