Анод для фотоэлектролиза воды

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советсинк

Социалистические республик (ii>969786

Ф

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6l ) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заивлено06.03.8 1 (2l ) 3258319/23-26 с присоединением заявки М (23) Приоритет .

Опубликовано 30.10.82. Бюллетень М 40

Дата опубликования описания 30.10.82 (53)M. Кл.

С 25 В 11/00/1 фкударстеанвй квинтет

СССР ао делам наобретеннй н етерытнй

С 25 В 1/04 (53) УДК621.3. .035.2 (088. 8) f

В. М. Арутюнян, А. Г. Саркисян, Ж. P. Панос и А . -Й.,"Вартан к

Ордена Трудового Красного Знамени Ереванский греударственный университет

-Ь (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) АНОД ДЛЯ ФОТОЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДЪ|

Изобретение относится к полупровод- никовым анодам устройств для фотоэлектрохимического получения водорода и кислорода в фотоэлектролизных ячейках, применяемых в гелиотехнике и являющих5 ся экологически чистым и возобновляемым источником энергии, так как продуктом сгорания водорода и кислорода является вода. С такой ячейкой может быть сочленен топливный элемент для получения электрической энергии.

Аноды известных устройств для преоб-разования солнечной энергии в химическую в виде свободного водорода и кислорода при фотоэлектролизе воды представляют собой пластины из монокристаллического, поликристаллического или аморфного полупроводника, имеющего в большом количестве собственные дефекты (обуславли вающие низкую подвижность носителей 2о зарядов), и случайный поверхностно-барьерный потенциал.

Известен анод для фотоэлектролиза воды иэ монокристалла рутила, легирован2 ного алюминием. Легирование производя1 для повышения подвижности носителей.

Полученные аноды дорогостоящие для .преобразования солнечной энергии из-аа использования монокристаллов. Достигнутый КПД преобразования солнечной энергии составляет 1,3% при приложении смещения от внешнего источника электрической энергии, который усложняет условия эксплуатации 3 1 ) .

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является анод из поликристаллического рутила, легированного бором.

Этот полупроводник обеспечивает КПД преобразования солнечной энергии

1,1% С2) .

Недостаток известного анода состоит в низком КПД преобразования солнечной энергии или низком выходе по току.

Цель изобретения — повышение выхода по току, что приводит к повышению КПД преобразования солнечной энергии.

969786

Поставленная цель достигается тем, что анод из поликристаллического ру йила легирован рением (К© ) в количестве

0,3-0,5 мол.% .

Количество легируюшего элемента менее 0,3 мол.% приводит к улучшению характеристик анода, а количество более

0,5 мол.% нецелесообразно, так как не приводит к дальнейшему уцучшению характеристик анода. 1О

Легирование рутила осуществляют через твердофазную реакцию. Порошкообраз ный рутил (марки ОСЧ) и порошкообразный рений (марки ОСЧ) перемешивают и прессуют в брикеты, которые затем отжигают в вакууме (в запаяных кварцевых ампулах) при нарастающей температуре от 20 до 1000ОС в течение не менее 10 ч.

Полученный легированный рутил подвергают горячему прессованию в таблетки при 1400-1500ОC до плотности

4 г/см . Далее образцы отжигают на воздухе при 800 С в течении 2 ч для снятия механических напряжений и умень - щения числа кислородных вакансий. Легирование рутила электроактивной добавкой— мелкой донорной примесью ..ния вЂ, создает в нем проводимость электронного типа. При этом обеспечиваются удельная электропроводность 5 см " см " и подвижность носителей заряда 10 см /Вс.

Для изготовления анода для фотоэлектролиза воды Полученную таблетку шлифуют с двух сторон абразивом зернистостью зз

l4 мкм и создают с одной стороны омический контакт, например, путем вакуумного осаждения индия или меди. Далее к омическому контакту припаивают вывод и покрывают электроизолирующим слоем, 4О например эпоксидным компаундом, Полученный анод помещают в фотоэлектролизную ячейку, которая состоит, например, из двух отсеков, разделенных ионообменной мембраной. Анодный отсек

45 имеет кварцевое окно для освещения рабочей поверхности полупроводникового анода. В другом отсеке размещен катод, выполненный, например, в виде пластины из никеля или пластины или полупроводника с дырочной проводимостью. Анодный отсек заполнен щелочно-водным электролитом (1 н. NaOH), а катодный — кислотнО вОДным элект рОлитОм (1 н Ч 504) анод и катод замкнуты накоротко.

При облучении анода световым потоком в полупроводнике создаются неравновесные электроны и дырки. Изгиб энергетических зон у поверхности полупроводника, граничащий с щелочно-водным электролитом, обеспечивает пространственное разделение неравновесных носителей — дырки проходят к границе раздела анода с водным электролитом, а электроны переходят через внешнюю цепь на катод. У поверхности катода осуществляется восстановление ионов водорода. Газообразный водород выходит из катодного отсека, где собирается обычными методами, У поверхности полупроводникового анода образуется газообразный кислород, который также собирается. Таким образом осуществляется эффективное аккумулирование солнечной энергии.

Количество выделенного водорода согласно закону Фарадея прямо пропорционально величине тока короткого замыкания фотолизной ячейки. Повышение выхода по току короткого замыкания связано с увеличением подвижности носителей заряда вследствие легирования рением, что способствует увеличению диффузионной и дрейфовой длин неосновных носителей заряда, вследствие чего основная часть фотогенерированных дырок успевает достичь границы раздела полупроводник — электролит прежде, чем осущесчвится их рекомбинация. Квантовый выход фототока достигает 90% при длине волны 0,36 мкм, Для получения требуемого после легнрования содержания рения в рутиле необходимо смесь порошков готовить с избытком рения. Это объясняется тем, что при отжиге часть рения испаряется. Процентное содержание рения после отжига определяют химическим анализом.

Примеры осуществления приведены в таблице.

969786

Показатели

0,75 1,0

1,25

0,5

0,4

0,3

КПД преобразования, %

1,2

1,35, 1,2

Плотность тока короткого замыкания, МА/см

0,82

0,92

0,82

Составитель Т. Барабаш

Редактор Б. Петраш Техред Л.Пекарь Корректор Г. Огар

Заказ 8322/31 Тираж 686 Подписное

В11ИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1lÇ035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал Г!Г1П "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Содержание реник в легированном рутиле после отжига, мол. %

Полученные образцы поликристалличес- 1 кого Т(0,2, легированные рением, имеют черный цвет и, как показывают результаты рентгенофазового анализа, имеют кристаллическую структуру рутила.

Максимальное значение КПД преобразования солнечной энергии составляет

l,35%, что выше значений КПД для известных анодов фотоэлектролизных ячеек, и соответствует плотности тока коротко° ro замыкания 0,92 МА/см . Предлагае2 мым анодом можно эффективно преобразовывать солнечную энергию в высокогорных и космических условиях.

Формула изобретения

Анод для фотоэлектролиза воды, содержащий поликристаллический рутил и

Количество рения, добавленного до отжига, мол. % легирующую добавку, о т л и ч а юш и и с я тем, что, с целью повышений выхода по току, в качестве легирующей добавки он содержит рений при следующих соотношениях компонентов, мол.%:

Поликристаллический рутил 99,5-99,7

Рений 0,3-0,5

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

4. Ghoz5 A. К. Marusya Н,p., pgotoe electro Kys ti5 of .water 1н и 61С М witN 5ев1сопйосфог Efect

ro8s. — 3. Electron%. Soc. 1977, 124, № 10, р. 1516-1522.

2. Ноп9ibon 3.F., H rnihtоп

pypaCp: arnproVed SOfCIr effiC3en 1е ог Doped РоИУсг15 t@80Ioe

Т» 0 Р пойоюподег. H6 ter Res. ЬОИ, ч.(1979), 14, М 7, р. 915-920 (про» тотип) .