一种面向光解水制氢的集成器件及其制作方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种面向光解水制氢的集成器件及其制作方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术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，本专利技术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。进一步的，所述光阳极是由ZnO半导体、TiO2半导体、Fe2O3半导体及WO3半导体中的任一种制成的。进一步的，所述光阴极上沉积有如下薄膜中的一种：Pt薄膜、NiMo合金薄膜、MoS2薄膜。进一步的，所述光阳极及所述光阴极暴露出来，所述集成器件的其他部分均被密封。进一步的，所述透明导电基底为柔性导电基底；所述集成器件为柔性集成器件。按照本专利技术的另一方面，提供了一种面向光解水制氢的集成器件的制作方法，其包括以下步骤：(a)在透明导电基底上制备光阳极，所述光阳极为带隙在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；(b)在透明导电基底上制备太阳能电池，其余可见光穿过所述光阳极激发所述太阳能电池产生偏压；(c)制备光阴极；(d)将所述光阳极的透明导电基底与所述太阳能电池的透明导电基底绝缘贴合，并将所述光阴极与所述太阳能电池的对电极绝缘贴合；(e)将所述光阳极的透明导电基底与所述太阳能电池的对电极电性连接，并将所述光阴极与所述太阳能电池的透明导电基底电性连接。进一步的，所述光阳极的透明导电基底上形成有纳米结构，所述纳米结构为以下纳米结构中的一种：纳米薄膜、TiO2纳米颗粒、ZnO纳米棒。进一步的，在步骤e)之后还包括对在步骤e)制作成的集成器件进行密封处理的步骤，所述集成器件除所述光阳极及所述光阴极之外的部分均被密封。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，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，实现了太阳能的充分利用，同时所述集成器件能够独立实现光解水制氢，无需外界辅助，有利于光解水制氢技术的推广应用。附图说明图1是本专利技术第一实施方式提供的面向光解水制氢的集成器件的结构示意图。图2是图1中的面向光解水制氢的集成器件的光阳极的四种结构示意图，其中图2a所示的是由纳米薄膜形成的光阳极；图2b所示的是由纳米颗粒形成的光阳极；图2c所示的是由纳米棒形成的光阳极；图2d所示的是纳米异质结构形成的光阳极。图3是本专利技术提供的制作图1中的面向光解水制氢的集成器件的流程图。图4是本专利技术第二实施方式提供的面向光解水制氢的集成器件的结构示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：11-光阳极，12-太阳能电池，13-光阴极。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。请参阅图1至图3，本专利技术第一实施方式提供的面向光解水制氢的集成器件的制作方法，其包括以下步骤：步骤S1，制备光阳极。具体的，所述光阳极的制备包括以下步骤：S11，提供一个FTO导电玻璃，清洗所述FTO导电玻璃；S12，利用旋涂前驱体溶液的方式在清洗后的所述FTO的表面上制备TiO2致密层；其中，所述前驱体溶液为钛酸异丙酯(TTIP)乙醇溶液，所述钛酸异丙酯(TTIP)乙醇溶液的浓度为0.25mol/L，所述前驱体溶液含有浓度为0.02mol/L的HCl以抑制水解。S13，将经步骤S12旋涂后的所述TiO2致密层在环境温度为500℃下退火30分钟。具体的，将TiO2膏用乙醇稀释以得到稀释液，将所述稀释液旋涂于所述TiO2致密层上，随后将所述TiO2致密层烘干后缓慢加热至500℃，保温30分钟后自然冷却至室温，即可得到TiO2纳米颗粒。所述光阳极是纳米半导体，其主要吸收紫外光和少量的可见光，如图2b所示。步骤S2，制备钙钛矿太阳能电池。具体的，钙钛矿太阳能电池的制备包括以下步骤：S21，提供一个FTO导电玻璃，在所述FTO导电玻璃的表面上制备TiO2纳米结构；S22，利用旋涂-浸涂两步法将碘化铅卤化物钙钛矿沉积于所述TiO2纳米结构上；S23，将PbI2溶于N,N-二甲基甲酰胺得到P本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向光解水制氢的集成器件，其包括光阳极(11)、钙钛矿太阳能电池(12)及光阴极(13)，其特征在于：所述光阳极(11)与所述钙钛矿太阳能电池(12)的透明导电基底绝缘贴合，并与所述钙钛矿太阳能电池(12)的对电极电性连接；所述光阳极(11)采用带隙在2.5eV以上的半导体活性材料薄膜，且所述薄膜厚度小于3μm，使得所述光阳极(11)吸收紫外光而让50％以上的可见光通过，通过所述光阳极(11)的可见光激发所述钙钛矿太阳能电池(12)产生偏压；所述对电极与所述光阴极(13)绝缘贴合，所述光阴极(13)与所述钙钛矿太阳能电池(12)的透明导电基底电性连接。

【技术特征摘要】
1.一种面向光解水制氢的集成器件，其包括光阳极(11)、钙钛矿太阳能电池(12)及光阴极(13)，其特征在于：所述光阳极(11)与所述钙钛矿太阳能电池(12)的透明导电基底绝缘贴合，并与所述钙钛矿太阳能电池(12)的对电极电性连接；所述光阳极(11)采用带隙在2.5eV以上的半导体活性材料薄膜，且所述薄膜厚度小于3μm，使得所述光阳极(11)吸收紫外光而让50％以上的可见光通过，通过所述光阳极(11)的可见光激发所述钙钛矿太阳能电池(12)产生偏压；所述对电极与所述光阴极(13)绝缘贴合，所述光阴极(13)与所述钙钛矿太阳能电池(12)的透明导电基底电性连接。2.如权利要求1所述的面向光解水制氢的集成器件，其特征在于：所述光阳极(11)是由ZnO半导体、TiO2半导体、Fe2O3半导体及WO3半导体中的任一种制成的。3.如权利要求1所述的面向光解水制氢的集成器件，其特征在于：所述光阴极(13)上沉积有如下薄膜中的一种：Pt薄膜、NiMo合金薄膜、MoS2薄膜。4.如权利要求1所述的面向光解水制氢的集成器件，其特征在于：所述光阳极(11)及所述光阴极(13)暴露出来，所述集成器件的其他部分均被密封。5.如权利要求1所述的面向光解水制氢的集成器件，其特征在于：所述透明导电基底为柔性导电基底；所述集成器件为柔性集成器件。6.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖广兰，孙博，史铁林，汤自荣，刘智勇，吴悠妮，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42