一种叠层式光谱分光太阳能光催化反应系统技术方案

本发明专利技术公开了一种叠层式光谱分光太阳能光催化反应系统，属于太阳能利用技术领域。该系统由依次排列的N层光学带隙值逐渐递减、带边位置连续变化的光催化薄膜材料逐层沉积在衬底材料上获得，其中N≥3；相邻的两种光催化薄膜材料之间设有过渡层连接，第N层上沉积具有表面等离子体共振效应的助催化剂，靠近受光面的端面为具有绒面陷光效应的多孔‑金字塔复合结构的减反增透膜，其材料组成与第一层光催化薄膜材料相同。本发明专利技术所述光催化反应系统显著优势在于宽光谱响应和高量子转换效率，能够极大地提高太阳能利用率。

A Laminated Spectroscopic Solar Photocatalytic Reaction System

The invention discloses a laminated spectroscopic solar photocatalytic reaction system, which belongs to the technical field of solar energy utilization. The system is obtained by depositing the photocatalytic thin film materials with decreasing optical band gap and changing edge position on the substrate layer by layer, in which N is more than 3. There is a transition layer connection between the two adjacent photocatalytic thin film materials, a surface plasmon resonance assistant catalyst is deposited on the N layer, and a suede trapping light effect is deposited on the end near the polished surface. The antireflection and antireflective film with porous pyramid composite structure has the same material composition as the first photocatalytic film material. The photocatalytic reaction system has the remarkable advantages of wide spectral response and high quantum conversion efficiency, and can greatly improve the utilization rate of solar energy.

【技术实现步骤摘要】
一种叠层式光谱分光太阳能光催化反应系统
本专利技术涉及一种叠层式光谱分光太阳能光催化反应系统，属于太阳能利用

技术介绍
在太阳能利用的三种常见方式（光-热转换、光-电转换和光-化学转换）中，光催化技术属于光-化学转换方式，其机理类似于自然界的光合作用，主要应用于分解水制氢、CO2还原制备碳氢化合物、环境净化、有机合成等多个领域。该技术不但增加了可再生能源的供应形式和数量、减轻了对环境的污染和破坏，与此同时还能够对环境污染进行治理，因而成为目前非常值得关注和开发的领域。太阳能光催化技术发展的关键在于开发高效、廉价、稳定的宽光谱响应半导体光催化薄膜材料。受到天然或人工材料能带结构的物理制约，任何单一种类的半导体光催化薄膜材料的工作区都不可能匹配并完全覆盖太阳光谱，即：单一材料的光化学转换效率在太阳光谱区内的分布是极不均匀的，其峰值转换效率难以与太阳光谱相匹配，导致在实际光化学转换应用中来自太阳光的大部分能量都被透射、反射或被转换成热而被浪费掉了。若通过减小带隙实现宽光谱响应，通常会导致半导体的氧化还原能力降低的同时也会使光生电子与空穴对更易复合，降低了量子转换效率，因此，单纯的通过减小材料带隙的方式拓展光谱响应区间将会严重影响其光催化效果，是不可取的。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种叠层式光谱分光太阳能光催化反应系统，克服单一半导体光催化薄膜材料只能响应特定波段光谱和量子转换效率低的缺陷，从而实现宽光谱响应和高量子转换效率，大幅提高太阳能的利用率。本专利技术所述叠层式光谱分光太阳能光催化反应系统，由依次排列的N层光学带隙值逐渐递减、带边位置（价带顶和导带底）连续变化的光催化薄膜材料逐层沉积在衬底材料上获得（衬底材料可位于光催化薄膜材料的一侧，也可以位于几层光催化薄膜材料之间），其中N≥3；相邻的两种光催化薄膜材料之间设有过渡层连接，第N层上沉积具有表面等离子体共振效应的助催化剂，靠近受光面的端面为具有绒面陷光效应的多孔-金字塔复合结构的减反增透膜，其材料组成与第一层光催化薄膜材料相同，该减反增透膜能够同时产生和接收光生载流子并参与光催化反应，显著减少或消除系统表面的反射光，从而增加系统的透光量，减少或消除系统的杂散光；同时由于具有多孔微纳结构，可以提供更多的反应活性位置，使光催化反应效率更高。本专利技术所述的叠层式光谱分光太阳能光催化反应系统，当N=3时，第一层光催化薄膜材料为响应紫外光的宽带隙光催化薄膜材料；第二层光催化薄膜材料为响应短波可见光的光催化材材料；第三层光催化薄膜材料为响应长波可见光的窄带隙光催化薄膜材料；相邻的两种光催化薄膜材料之间设有过渡层连接，在第三层上沉积具有表面等离子体共振效应的助催化剂，可响应近红外光；靠近受光面的端面为具有绒面陷光效应的多孔-金字塔复合结构的减反增透膜，其材料组成与第一层光催化薄膜材料相同；三层半导体光催材料的带隙值逐渐减小，形成梯度带隙复合材料体系，同时三层半导体光催材料的导带带边位置（即导带底）和价带带边位置（即价带顶）从第一层光催化薄膜材料至第三层光催化薄膜材料逐渐下降。优选的，本专利技术所述助催化剂为纳米Ag颗粒、纳米Au颗粒、纳米Pt颗粒、Cu2S纳米颗粒、Cu2Se纳米颗粒中的一种；吸收近红外光；同时助催化剂与第三层半导体光催化薄膜形成合适的肖特基势垒，有利于将吸收红外光所激发的电子快速注入第三层半导体光催化的导带中。优选的，本专利技术所述过渡层由两边的光催化材料固溶得到，该过渡层材料的晶格常数与两端的光催化材料失配度小于10%；过渡层的设计是为了进一步使半导体光催化薄膜材料中所产生的光生电子和光生空穴能够更有效、快速地迁移；其作用为减小两端半导体材料的晶格失配和界面势垒。优选的，本专利技术所述衬底材料为双面联通透明的导电玻璃；导电玻璃设计为了全面利用半导体光催化材料所产生的光生电子和光生空穴、同时能够进行还原反应和氧化反应；该导电玻璃除了能够为器件系统提供支撑，能够更方便地应用于实际环境。本专利技术的原理：如图2所示，从受光面一端开始，半导体光催化薄膜材料的带隙逐渐减小，因此紫外光-短波可见光-长波可见光-近红外光依次被不同带隙半导体材料吸收，从而实现对太阳光谱的全谱吸收。另一方面，导带和价带的带边位置从第一层半导体光催化薄膜材料至第三层半导体光催化薄膜材料逐渐降低。当受光面受到太阳光照射时，光生电子从第一层半导体光催化薄膜材料依次迁移至第三层半导体光催化薄膜材料，在远离受光面一端发生还原反应；而光生空穴从第三层半导体光催化薄膜材料依次迁移至第一层半导体光催化薄膜材料，在受光面一端处发生氧化反应，这一特征不仅使光生电子和光生空穴能够快速异向迁移，提高整个光催化反应系统的光生电子-空穴对的分离效率，从而增强量子转换效应率。同时还能够使光催化的氧化反应和还原反应处于不同的区域，更加有利于光催化反应产物的分离和后续光催化器件的设计和优化。本专利技术的有益效果：本专利技术所述太阳能光催化反应系统通过不同带隙半导体光催化薄膜材料的优化组合、以及助催化剂表面等离子体共振效应的耦合，实现对太阳光谱的宽谱响应；同时利用能带位置的连续变化，实现光生电子和光生空穴的高效异向迁移，从而大幅提高量子转换效率；该系统的显著优势在于宽光谱响应和高量子转换效率，能够极大地提高太阳能利用率。附图说明图1为太阳能辐射的光谱能量分布图；图2为本专利技术所述叠层式光谱分光太阳能光催化反应系统的原理示意图；图3为本专利技术实施例1所述叠层式光谱分光太阳能光催化反应系统的结构示意图；图4为本专利技术实施例2所述叠层式光谱分光太阳能光催化反应系统的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明；这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示；附图中所示和根据附图描述的本专利技术的实施方式仅仅是示例性的，并且本专利技术并不限于这些实施方式。在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本专利技术，在附图中仅仅示出了与根据本专利技术的方案密切相关的结构和处理步骤，而省略了与本专利技术关系不大的其他细节。实施例1本专利技术所述的叠层式光谱分光太阳能光催化反应系统，N=3，其中，第一层光催化薄膜材料为响应紫外光的宽带隙光催化薄膜材料；第二层光催化薄膜材料为响应短波可见光的宽带隙光催化材材料；第三层光催化薄膜材料为响应长波可见光的窄带隙光催化薄膜材料；相邻的两种光催化薄膜材料之间设有过渡层连接，在第三层上沉积具有表面等离子体共振效应的助催化剂纳米材料颗粒，可响应近红外光；靠近受光面的端面为具有绒面陷光效应的多孔-金字塔复合结构的减反增透膜，其材料组成与第一层光催化薄膜材料相同（如图3所示）；三层半导体光催材料的带隙值逐渐减小，形成梯度带隙复合材料体系，同时三层半导体光催材料的导带带边位置（即导带底）和价带带边位置（即价带顶）从第一层光催化薄膜材料至第三层光催化薄膜材料逐渐下降（如图3所示）。第一层半导体光催化薄膜材料为响应紫外光的宽带隙光催化薄膜材料，在本实施例中选用氮化镓-氧化锌固溶体(GaN)1-x(ZnO)x(x=0.05)（对应的基本带隙值为~2.9eV）；第二层半导体光催化薄膜材料为响应短可见光的光催化薄膜材料，在本实施例中选用硫化镉CdS（对应的基本带隙值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种叠层式光谱分光太阳能光催化反应系统，其特征在于：由依次排列的N层光学带隙值逐渐递减、带边位置连续变化的光催化薄膜材料逐层沉积在衬底材料上获得，其中N≥3；相邻的两种光催化薄膜材料之间设有过渡层连接，第N层上沉积具有表面等离子体共振效应的助催化剂，靠近受光面的端面为具有绒面陷光效应的多孔‑金字塔复合结构的减反增透膜，其材料组成与第一层光催化薄膜材料相同。

【技术特征摘要】
1.一种叠层式光谱分光太阳能光催化反应系统，其特征在于：由依次排列的N层光学带隙值逐渐递减、带边位置连续变化的光催化薄膜材料逐层沉积在衬底材料上获得，其中N≥3；相邻的两种光催化薄膜材料之间设有过渡层连接，第N层上沉积具有表面等离子体共振效应的助催化剂，靠近受光面的端面为具有绒面陷光效应的多孔-金字塔复合结构的减反增透膜，其材料组成与第一层光催化薄膜材料相同。2.根据权利要求1所述的叠层式光谱分光太阳能光催化反应系统，其特征在于：当N=3时，第一层光催化薄膜材料为响应紫外光的宽带隙光催化薄膜材料；第二层光催化薄膜材料为响应短波可见光的光催化材材料；第三层光催化薄膜材料为响应长波可见光的窄带隙光催化薄膜材料；相邻的两种光催化薄膜材料之...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘清路，赵宗彦，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53