本发明专利技术涉及具有微空心砖结构的硒化亚锗薄膜、太阳能发电和水解制氢装置及其制备方法，该硒化亚锗薄膜具有特殊的微空心砖结构，使得入射的太阳光在其内部多次反射直至完全吸收，能够明显提升光热和光电转化效率，该硒化亚锗薄膜结合光热转化部件应用于太阳能发电装置提升了太阳能发电装置对太阳光的利用率；在该硒化亚锗薄膜上制备缓冲层和析氢催化剂纳米颗粒形成了单阴极光电极，与光热转换部件结合形成的水解制氢装置实现了超过17％的光转氢效率。本发明专利技术提供的装置完全由太阳能驱动的、不受电网限制的、可规模化定制，具备极大的产业化发展前景。的产业化发展前景。的产业化发展前景。
【技术实现步骤摘要】
具有微空心砖结构的硒化亚锗薄膜、太阳能发电和水解制氢装置及其制备方法
[0001]本专利技术涉及光电转化领域，尤其涉及具有微空心砖结构的硒化亚锗薄膜、太阳能发电和水解制氢装置及其制备方法。
技术介绍
[0002]随着人类社会发展的能源需求与化石能源储量的日益减少间的矛盾日益加剧，对清洁的、可持续产出的能源需求也愈加迫切。氢气作为一种绝对绿色的清洁能源，被称为“未来能源”，吸引了世界各国研究者的目光。目前，最有希望一举解决能源和环境危机的氢气生产方式就是利用太阳能分解水产氢。近年来对于太阳转化领域的研究，尤其是以硅、铟镓氮和钙钛矿为代表的高效太阳能电池的发展促进了太阳能转化的发展。将高效太阳能电池应用于电解水产氢也成为了近年来的研究热门。但到目前为止，研究者们通过半导体材料对太阳能的利用始终局限在可以激发光电子到达导带底的那一部分，而这一部分在太阳光谱中只占用很小的比例。此外，被激发的光电子在一定程度上由于弛豫、复合等因素以热的形式散失的能量通常是被忽略的。实际上，未被利用的光通常都会以热的形式对外辐射并且在一些太阳电池的应用中，这部分热量甚至还会损害电池的寿命。此外，电解水是通常采用金属作为电极，通过太阳能电池施加的偏压进行水分解产氢，而金属电极与电解液间的电子转移通常会由于电极材料的费米能级与电解液中氧化还原电对之间的差异发生表面复合或者阻碍电子通过。综上所述，目前发展的太阳能电池对于光谱的有效利用存在限制，对发电过程中伴生的热量没有有效的利用，造成了能源的浪费。其次虽然利用太阳能电池电解水具有可观的氢光转氢效率，但是在成本、制备工艺、能带匹配等方面存在较大短板。
技术实现思路
[0003]本专利技术一方面提供一种具有微空心砖结构的硒化亚锗薄膜，该硒化亚锗薄膜具有标志性的陷光结构，会使得入射的太阳光在其内部多次反射直至完全吸收，明显提升了光热、光电转化效率。
[0004]本专利技术的另一方面还提供了具有微空心砖结构的硒化亚锗薄膜的制备方法，该制备方法通过改进快速盒热蒸发工艺，进一步调控退火速率使硒化亚锗薄膜进一步生长得到了具有标志性陷光结构的微空心砖硒化亚锗薄膜。相较于目前常见的由近空间升华法所制备的块状的硒化亚锗薄膜在基本形貌上的完全不同，该制备方法获得的硒化亚锗薄膜具备更强的吸光能力。尤其适合用于光热转化和分解水析氢。
[0005]本专利技术的另一方面还提供了基于上述硒化亚锗薄膜的太阳能发电装置，该太阳能发电装置基于该高性能的硒化亚锗薄膜结合热电转换部件，不仅实现了废热利用，而且明显提升了太阳能的转换效率。
[0006]本专利技术的另一方面还提供了基于上述硒化亚锗单阴极的无偏压水解制氢装置，该
装置基于上述硒化亚锗薄膜制备获得了单一硒化亚锗阴极光电极，将硒化亚锗自身光热转化提供的电压施加在光电极本身，极大地促进了载流子在固液界面间的转移速率和效率。
[0007]本专利技术至少采用如下技术方案：
[0008]具有微空心砖结构的硒化亚锗薄膜，所述硒化亚锗薄膜由多个微空心砖结构层叠而成，相邻所述微空心砖结构之间具有间隙，所述微空心砖结构具有多个微孔隙。
[0009]具有微空心砖结构的硒化亚锗薄膜的制备方法，所述硒化亚锗薄膜采用快速盒热蒸发工艺制备获得，其包括以下步骤：
[0010]将金属基底放置于石墨盒中，将适量硒化亚锗粉末铺设于金属基底的周围，随后将该石墨盒密封后放置于管式炉内，调节该管式炉内的真空度至10
‑3Pa，进行热蒸发，所述热蒸发包含预热、蒸发、慢速冷却三个阶段，其中预热阶段的温度为300℃～400℃，预热时间为30秒～300秒；蒸发阶段的温度为450℃～600℃，蒸发时间为30秒～500秒；所述慢速冷却的冷却速率为1℃/min～20℃/min。
[0011]所述慢速冷却的冷却速率选用10℃/min。
[0012]基于硒化亚锗薄膜的太阳能发电装置，其包括，金属基底；
[0013]具有空心砖结构的硒化亚锗吸光层，布置于所述金属基底上；
[0014]具有热端和冷端的热电转换部件，其热端与所述金属基底接触，其冷端采用冷却剂进行降温。
[0015]基于硒化亚锗单阴极的无偏压水解制氢装置，其包括，
[0016]生成氢气的光电极和生成氧气的对电极，所述光电极包括金属基底，依次层叠于金属基底上的硒化亚锗吸光层、缓冲层和析氢催化剂纳米颗粒，所述硒化亚锗吸光层具有空心砖结构；
[0017]具有热端和冷端的热电转换部件，其热端与所述光电极的金属基底侧接触，其冷端采用冷却剂进行降温；
[0018]电解室，其包含光电极和对电极，收纳与所述光电极和对电极接触的电解液以及生成的氢气和氧气；
[0019]其中，所述热电转换部件具有正极和负极，所述正极与所述对电极连接，所述负极与所述金属基底连接。
[0020]所述金属基底选用Mo、Cu、Fe、Au或Ag基底。
[0021]采用银浆或铝浆将热电转化部件的热端与所述金属基底侧粘接接触。
[0022]所述缓冲层材料为硫化镉、硫化锌、硫化铟、氧化钛、氧化锌、氧化铪、氧化铟中的一种；所述催化剂材料为铂、金、银、硫化钼、磷化钼中的至少一种。
[0023]所述电解液的主要成分为盐酸、硫酸、硝酸、氯化钠、硫酸钠、氯化钾、硫酸钾、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、磷酸氢二钠、磷酸氢二钾中的一种；所述对电极的材料为铂、铝、铁、铜、钛、氧化铱、氧化钌、氧化钴、氧化铁、氧化镍、氢氧化氧铁、氢氧化氧镍中的一种。
[0024]所述冷却剂为液体或气体。
[0025]与现有技术相比，本专利技术至少具有如下有益效果：
[0026]本专利技术提供的具有微空心砖结构的硒化亚锗薄膜具有标志性的陷光结构，空心砖结构之间具有间隙，该陷光结构及空心砖结构之间的间隙使得入射的太阳光在薄膜内部多次反射直至完全吸收，相比较于其它块状的平坦薄膜具有更强的光热和光电转换效率。该
特殊结构的硒化亚锗薄膜尤其适用于光热转化和分解水析氢的制备。本专利技术还提供了该特殊结构硒化亚锗薄膜的制备方法，该方法基于改进的快速盒热蒸发工艺，通过进一步调控退火速率使硒化亚锗层进一步生长得到了具有标志性陷光结构的微空心砖硒化亚锗薄膜。相比较近空间升华法或者热蒸发法制备获得的平坦状薄膜，该方法制备获得的硒化亚锗薄膜具有上述特殊的陷光结构，具有更强的光热、光电转化效率。因此，本专利技术对于热蒸发法制备薄膜工艺具有一定的借鉴价值和指导意义。
[0027]本专利技术所设计的将硒化亚锗作为光热转化材料与光电转化材料协同使用的方式，是目前为止针对可陷光的半导体材料开发的一种全新的太阳能利用形式。相比目前太阳能分解水中通常所采用的太阳电池提供电压，铂片和其他稳定的导电金属板作为工作电极和对电极的形式，本专利技术中所采用的是将硒化亚锗自身光热转化提供的电压施加在光电极本身，这种做法的优势在于，光电极与电解液间具有金属无法实现的能带弯曲，这将极大地促进载流子在固液界面间的转移速率和效率。
[0028]本专利技术设计的太阳能发电装置和水解本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.具有微空心砖结构的硒化亚锗薄膜，其特征在于，所述硒化亚锗薄膜由多个微空心砖结构层叠而成，相邻所述微空心砖结构之间具有间隙，所述微空心砖结构具有多个微孔隙。2.具有微空心砖结构的硒化亚锗薄膜的制备方法，其特征在于，所述硒化亚锗薄膜采用快速盒热蒸发工艺制备获得，其包括以下步骤：将金属基底放置于石墨盒中，将适量硒化亚锗粉末铺设于金属基底的周围，随后将该石墨盒密封后放置于管式炉内，调节该管式炉内的真空度至10
‑3Pa，进行热蒸发，所述热蒸发包含预热、蒸发、慢速冷却三个阶段，其中预热阶段的温度为300℃～400℃，预热时间为30秒～300秒；蒸发阶段的温度为450℃～600℃，蒸发时间为30秒～500秒；所述慢速冷却的冷却速率为1℃/min～20℃/min。3.根据权利要求2的所述硒化亚锗薄膜，其特征在于，所述慢速冷却的冷却速率选用10℃/min。4.基于硒化亚锗薄膜的太阳能发电装置，其特征在于，其包括，金属基底；具有空心砖结构的硒化亚锗吸光层，布置于所述金属基底上；具有热端和冷端的热电转换部件，其热端与所述金属基底接触，其冷端采用冷却剂进行降温。5.基于硒化亚锗单阴极的无偏压水解制氢装置，其特征在于，其包括，生成氢气的光电极和生成氧气的对电极，所述光电极包括金属基底，依次层叠于金属基底上的硒化亚锗吸光层、缓冲层和析氢催化剂纳米颗粒，所述硒化亚锗吸光层具有空心砖结...
【专利技术属性】
技术研发人员：江丰，王康，倪欢扬，吴晓敏，肖国鸿，胡玉诚，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：
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