光合反应装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种光合反应装置，包括反应槽、质子交换膜、氧化电极、还原电极和导线，质子交换膜设于反应槽内以将反应槽分隔为第一槽和第二槽，氧化电极设于第一槽的底部，还原电极设于第二槽的底部，氧化电极和还原电极通过导线彼此连接，氧化电极包括金属层、光电转换器件和电极反应层，金属层与导线连接，光电转换器件和电极反应层依序叠层于金属层上。本实用新型专利技术提高了太阳光的利用率。

Photosynthetic reaction device

The utility model discloses a photosynthetic reaction device, which comprises a reaction tank, a proton exchange membrane, an oxidation electrode, a reduction electrode and a wire. The proton exchange membrane is arranged in the reaction tank to divide the reaction tank into a first tank and a second tank, the oxidation electrode is arranged at the bottom of the first tank, the reduction electrode is arranged at the bottom of the second tank, the oxidation electrode and the reduction electrode are connected with each other through wires, and the oxidation electrode is arranged at the bottom of the second tank The electrode includes a metal layer, a photoelectric converter piece and an electrode reaction layer, the metal layer is connected with the conductor, and the photoelectric converter piece and the electrode reaction layer are stacked on the metal layer in sequence. The utility model improves the utilization rate of sunlight.

【技术实现步骤摘要】
光合反应装置
本技术涉及人工光合作用领域，尤其涉及一种光合反应装置。
技术介绍
环境和能源问题已成为全球性难题，相比于太阳能、水能、风能、核能等新能源，碳资源的开发和利用还刚刚起步。人工光合作用可以将太阳光能转换成化学能，同时产生可再生、无污染的燃料及多种用途的含能物质，对减少二氧化碳排放，以及开发利用新能源具有非常重要的意义。目前，太阳能利用主要有光热转换、光电转换和光化转换三种方式，其中光合作用经过数十亿年的演变，具有非常优良的结构功能特性和较高的能量转化效率。因此，早在20世纪90年代就有研究者提出了人工光合作用的概念。而无机半导体材料光催化性能的研究可追溯到1972年，Fujishima和Honda等发现了本田藤岛效应：单晶电极与Pt电极相连放入水中，在太阳光的照射下，水能被分解成氧气和氢气。而第三代半导体材料GaN在半导体照明和功率器件中获得了最广泛应用，同时也是为数不多可同时满足二氧化碳还原和水分子的氧化条件的光催化材料，GaN的电子亲和势比传统用于光催化的氧化物材料要小很多，因此在光制氢和二氧化碳减排方面显示了巨大的应用前景。一般情况下人工光合反应装置吸收的光能的来源是太阳光，但是采用GaN的光和反应装置的氧化电极能够吸收利用的光线波段比较单一，因此有必要设计一种吸收多种波段光线的光合反应装置，来提高太阳光的利用率。
技术实现思路
为了达到上述的目的，本技术采用了如下的技术方案：一种光合反应装置，包括反应槽、质子交换膜、氧化电极、还原电极和导线，所述质子交换膜设于所述反应槽内以将所述反应槽分隔为第一槽和第二槽，所述氧化电极设于所述第一槽的底部，所述还原电极设于所述第二槽的底部，所述氧化电极和所述还原电极通过所述导线彼此连接，所述氧化电极包括金属层、光电转换器件和电极反应层，所述金属层与所述导线连接，所述光电转换器件和所述电极反应层依序叠层于所述金属层上。优选地，所述电极反应层包括N型衬底、缓冲层和多个N型GaN纳米柱，所述N型衬底和所述缓冲层依序叠层于所述光电转换器件上，所述N型GaN纳米柱设置于所述缓冲层背向所述N型衬底的表面上。优选地，所述光电转换器件由至少一个单结子电池构成，所述单结子电池包括依序叠层于所述金属层上的下接触层、背场层、基区、反射层、窗口层和上接触层。优选地，所述电极反应层还包括设置于所述N型GaN纳米柱中的InxGa1-xN(0≤x≤1)量子点。优选地，所述还原电极包括金属棒和催化剂层，所述金属棒与所述导线连接，所述催化剂层设于所述金属棒的表面上。优选地，所述氧化电极与所述还原电极之间串联有稳压器。优选地，所述光电转换器件由多个所述单结子电池构成，多个所述单结子电池以能量带隙逐渐增大或减小的顺序叠层连接。与现有技术相比，本技术中在所述金属层与所述电极反应层之间额外设置了光电转换器件，所述光电转换器件由至少一个单结子电池构成，使得所述光电转换器件能够吸收所述电极反应层未吸收的剩余的光线，以生成额外的空穴-电子对，这些额外的光生空穴会集结在所述电极反应层的表面上并参与水的分解反应，从而提高了水的分解反应速率，提高了太阳光的利用率。附图说明图1为本技术的光合反应装置的结构示意图；图2为本技术的光电转换器件的结构示意图。具体实施方式为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本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技术的实施方式仅仅是示例性的，并且本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技术，在附图中仅仅示出了与根据本技术的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本技术关系不大的其他细节。本实施例提供了一种光合反应装置，所述光合反应装置包括：反应槽1、质子交换膜2、氧化电极3、还原电极4和导线5。所述反应槽1优选为耐腐蚀的透明材料，例如：聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸脂、甲丙烯酸甲酯、玻璃、蓝宝石等。所述反应槽1的外侧表面上还可以设置增透膜层来提高太阳光的采集。如图1所示，所述质子交换膜2设于所述反应槽1内以将所述反应槽1分隔为第一槽1a和第二槽1b。为了明确区分所述第一槽1a和所述第二槽1b，作为一种示例，将所述质子交换膜2嵌设在分隔板中，把所述分隔板设置在所述反应槽1内的方式形成所述第一槽1a和所述第二槽1b也是可行的。所述氧化电极3设于所述第一槽1a的底部，所述还原电极4设于所述第二槽1b的底部，所述氧化电极3和所述还原电极4通过所述导线5彼此连接。在所述反应槽1内装入反应液后，所述第一槽1a内(即氧化电极3处)发生水分子的氧化反应，产出氢离子(质子)和电子，氢离子通过所述质子交换膜2转移到所述第二槽1b内，之后与经过所述导线5转移的电子结合产出氢气(还原反应)。因为所述质子交换膜2阻止了所述第一槽1a和所述第二槽1b里的反应液的混合，两边的化学反应互不干涉，因此提高了光合反应的稳定性。参阅图1可知，本技术的所述氧化电极3包括金属层31、光电转换器件32和电极反应层33。所述金属层31作为所述氧化电极3的背电极与所述导线5连接。所述电极反应层33作为所述氧化电极3的反应部，在所述光照环境下所述电极反应层33生成(接受光能)空穴-电子对。其中，电子随着所述导线5转移至所述第二槽1b，空穴与水分子的电子进行复合，之后又接受光能反复生成空穴-电子对，以此不断地进行水的分解反应。所述电极反应层33通常采用了GaN材料，能够吸收的光线种类比较单一。因此本技术中在所述金属层31与所述电极反应层33之间额外设置了光电转换器件32。如图2所示，所述光电转换器件32由至少一个单结子电池A构成，所述单结子电池A包括依序叠层于所述金属层31上的下接触层A1、背场层A2、基区A3、反射层A4、窗口层A5和上接触层A6。所述光电转换器件32能够吸收所述电极反应层33未吸收的剩余的光线，以生成额外的空穴-电子对，这些额外的光生空穴会集结在所述电极反应层33的表面上增加了空穴浓度，提高了水的分解反应速率的同时，提高了太阳光的利用率。在这里需要说明的是，所述光电转换器件32不与所述第一槽1a内的反应液直接接触，所述光电转换器件32的主要作用在于向所述电极反应层33提供额外的空穴，从而提高水的分解速度。为了进一步提高太阳光的利用率，所述光电转换器件32由多个所述单结子电池A构成，多个所述单结子电池A以能量带隙逐渐增大或减小的顺序叠层连接。其中，每个所述单结子电池A的能量带隙分别对应着太阳光的不同光波段，以此所述光电转换器件32能够吸收大部分的太阳光能量，从而提高了所述氧化电极3的整体光线利用率。进一步地，为了能够提供光和反应所需要的电流密度，所述氧化电极3与所述还原电极4之间串联有稳压器6，使得导线5的电流密度保持在1.2mA/cm2以上。进一步地，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光合反应装置，其特征在于，包括反应槽(1)、质子交换膜(2)、氧化电极(3)、还原电极(4)和导线(5)，所述质子交换膜(2)设于所述反应槽(1)内以将所述反应槽(1)分隔为第一槽(1a)和第二槽(1b)，所述氧化电极(3)设于所述第一槽(1a)的底部，所述还原电极(4)设于所述第二槽(1b)的底部，所述氧化电极(3)和所述还原电极(4)通过所述导线(5)彼此连接，所述氧化电极(3)包括金属层(31)、光电转换器件(32)和电极反应层(33)，所述金属层(31)与所述导线(5)连接，所述光电转换器件(32)和所述电极反应层(33)依序叠层于所述金属层(31)上。/n

【技术特征摘要】
1.一种光合反应装置，其特征在于，包括反应槽(1)、质子交换膜(2)、氧化电极(3)、还原电极(4)和导线(5)，所述质子交换膜(2)设于所述反应槽(1)内以将所述反应槽(1)分隔为第一槽(1a)和第二槽(1b)，所述氧化电极(3)设于所述第一槽(1a)的底部，所述还原电极(4)设于所述第二槽(1b)的底部，所述氧化电极(3)和所述还原电极(4)通过所述导线(5)彼此连接，所述氧化电极(3)包括金属层(31)、光电转换器件(32)和电极反应层(33)，所述金属层(31)与所述导线(5)连接，所述光电转换器件(32)和所述电极反应层(33)依序叠层于所述金属层(31)上。


2.根据权利要求1所述的光合反应装置，其特征在于，所述电极反应层(33)包括N型衬底(33a)、缓冲层(33b)和多个N型GaN纳米柱(33c)，所述N型衬底(33a)和所述缓冲层(33b)依序叠层于所述光电转换器件(32)上，所述N型GaN纳米柱(33c)设置于所述缓冲层(33b)背向所述N型衬底(33a)的表面上。


3.根据权利要求2所述的光...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢志伟，杨文献，龙军华，李雪飞，吴渊渊，陆书龙，边历峰，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：新型
国别省市：江苏;32