一種鈣鈦礦太陽能電池電解水制氫集成器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能電池電解水制氫技術(shù)領(lǐng)域，具體指一種鈣鈦礦太陽能電池電解水制氫集成器件，本發(fā)明還涉及上述鈣鈦礦太陽能電池電解水制氫集成器件的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氫能具有高效、清潔、無污染、易于生產(chǎn)、便于輸運(yùn)和可再生等特點(diǎn)，是最理想的能源載體之一。因此，氫能將會(huì)成為未來化石能源的主要替代能源之一，利用可再生能源制取氫氣是未來能源發(fā)展的必然趨勢(shì)。水和陽光可稱是取之不盡的資源，從水中獲得的氫作為能源使用后又回到了水的形態(tài)，是一種完全的可持續(xù)開發(fā)和利用。水在化學(xué)熱力學(xué)上是一種十分穩(wěn)定的化合物，很難分解，但是水作為一種電解質(zhì)又是不穩(wěn)定的，其電解電壓僅為1.229eV，因此，把太陽能先轉(zhuǎn)化為電能，通過電化學(xué)過程可實(shí)現(xiàn)光電分解水制取氫氣的目的。開發(fā)利用太陽能，包括光伏和光電化學(xué)發(fā)電兩種不同的方式。隨著光伏電池效率的提高和成本的降低以及光催化技術(shù)的成熟，利用太陽能轉(zhuǎn)化的電能進(jìn)行電解水制氫將成為氫能源開發(fā)的重要途徑之一。
[0003]根據(jù)自由能的變化，分裂一個(gè)H20分子釋放出與氧和氫氣的電動(dòng)勢(shì)至少需要大約1.8?2.0V，原則上可以通過選擇寬帶系的化合物或者半導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)高的光生電動(dòng)勢(shì)。然而，寬帶系材料導(dǎo)致對(duì)太陽光的吸收效率大大降低，光電流急劇減小。采用靈活的雙帶隙吸收串聯(lián)系統(tǒng)，其中兩個(gè)半導(dǎo)體可以吸收不同波長(zhǎng)的太陽光，并提供一個(gè)串聯(lián)的高光生電壓，可實(shí)現(xiàn)高效率的太陽能分解水制氫。但是，目前常規(guī)的高效光伏電池，比如硅和銅銦鎵砸電池，工作電壓較低，實(shí)際使用過程中需要幾個(gè)太陽能電池串聯(lián)整合，才能產(chǎn)生用于分解水的光生電動(dòng)勢(shì)。這要求每個(gè)太陽能電池內(nèi)平衡光吸收和光電流來有效地驅(qū)動(dòng)制氫反應(yīng)，而目前這樣的體系結(jié)構(gòu)制造復(fù)雜，并不具備經(jīng)濟(jì)型制氫的能力。
[0004]近年來，有機(jī)無機(jī)鹵化物鈣鈦礦太陽能電池憑借其光電轉(zhuǎn)換效率高、制備工藝簡(jiǎn)單以及生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。自2009年鈣鈦礦太陽能電池首次報(bào)道3.81%的光電轉(zhuǎn)換效率至今6年的時(shí)間里，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已提升至近20 %，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了染料敏化太陽能電池、有機(jī)太陽能電池等新型薄膜太陽能電池的效率，接近銅銦鎵砸電池的效率，且有望達(dá)到單晶硅太陽能電池的水平，成為光伏發(fā)電領(lǐng)域的希望之星，有很好的商業(yè)化發(fā)展前景。鈣鈦礦材料擁有接近1.55電子伏特的帶隙，能充分的吸收長(zhǎng)波段的太陽光，輸出的開路電壓超過IV，最高可接近1.5V。因此，可利用鈣鈦礦光伏電池高的輸出電壓優(yōu)勢(shì)，在無需外接偏壓或者多個(gè)太陽能電池串聯(lián)的情況下，實(shí)現(xiàn)高效率的太陽能分解水制氫?？扇芤杭庸ぶ苽涞拟}鈦礦太陽能轉(zhuǎn)化電能進(jìn)行電解水制氫將成為氫能源開發(fā)的重要途徑之一，具有廣闊的商業(yè)前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供一種鈣鈦礦太陽能電池電解水制氫集成器件，該集成器件無需外接偏壓電源即可進(jìn)行水裂解制氫，實(shí)現(xiàn)了從太陽能到氫能的直接能量轉(zhuǎn)換，有效提高了太陽光的利用率。
[0006]本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供一種上述鈣鈦礦太陽能電池電解水制氫集成器件的制備方法，該方法通過簡(jiǎn)單的溶液工藝實(shí)現(xiàn)，制備工藝簡(jiǎn)單、制備成本低。
[0007]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種鈣鈦礦太陽能電池電解水制氫集成器件，其特征在于:包括相串聯(lián)而成的鈣鈦礦太陽能光伏電池及光化學(xué)電池，所述鈣鈦礦太陽能光伏電池的陽極與光化學(xué)電池的光陽極通過導(dǎo)線相連，所述鈣鈦礦太陽能光伏電池的陰極與光化學(xué)電池的光陰極通過導(dǎo)線相連。
[0008]在上述方案中，所述的鈣鈦礦太陽能光伏電池包括:
[0009]陰極透明導(dǎo)電襯底，
[0010]電子傳輸層，制作在所述陰極透明導(dǎo)電襯底上，
[0011 ]鈣鈦礦層，制作在所述電子傳輸層上，
[0012]空穴傳輸層，制作在所述鈣鈦礦層上，以及
[0013]金屬陽極，制作在所述空穴傳輸層上。
[0014]作為優(yōu)選，所述的電子傳輸層為二氧化鈦包覆金屬粒子核殼層，該核殼層以金屬粒子Ag或Au為核，以Ti02為殼層。
[0015]優(yōu)選地，所述金屬粒子Ag或Au的直徑為5?50nm，Ti02殼層的厚度為5?50nm;所述鈣鈦礦層為CH3NH3PbI3或CH3NH3PbIxCl3—x或CH3NH3PbxBr3—x薄膜層，其中，0〈x〈3，該薄膜的厚度為400?500nm。
[0016]在上述各優(yōu)選方案中，所述的光化學(xué)電池包括:
[0017]陽極透明導(dǎo)電襯底，
[0018]光陽極金屬氧化物，制作在所述透明導(dǎo)電襯底上，以及
[0019]鉑電極。
[0020]—種上述鈣鈦礦太陽能電池電解水制氫集成器件的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
[0021 ] (1)鈣鈦礦太陽能光伏電池的制備:
[0022]a)清洗陰極透明導(dǎo)電襯底，然后將清洗后的陰極透明導(dǎo)電襯底浸入聚二烯丙基二甲基氯化銨的水溶液中，浸泡10?30min;浸泡完畢后取出陰極透明導(dǎo)電襯底并用去離子水反復(fù)沖洗去除多余的聚二烯丙基二甲基氯化銨；
[0023]b)常溫下，將步驟a)所得陰極透明導(dǎo)電襯底置于(Au/Ag)@Ti02的納米溶液中，浸泡5?24h，浸泡完畢后取出陰極透明導(dǎo)電襯底并于50?60°C下干燥處理20?24h，置于無水環(huán)境中備用;此時(shí)，陰極透明導(dǎo)電襯底的表面即形成了一層Ti02包覆Au/Ag的核殼層，該Ti02包覆Au/Ag的核殼層即為電子傳輸層；
[0024]c)在步驟b)所得電子傳輸層表面形成一層鈣鈦礦層；
[0025]d)在步驟c)所得鈣鈦礦層表面旋涂空穴傳輸層；
[0026]e)在步驟e)所得空穴傳輸層上蒸鍍形成金屬陽極；
[0027](2)光化學(xué)電池的制備:
[0028]a)清洗陽極透明導(dǎo)電襯底；
[0029]b)在陽極透明導(dǎo)電襯底表面制備光陽極金屬氧化物；
[0030]c)采用金屬Pt片作為光陰極；
[0031](3)鈣鈦礦太陽能光伏電池與光化學(xué)電池的連接:
[0032]用導(dǎo)線將鈣鈦礦太陽能光伏電池的金屬陽極與光化學(xué)電池的陽極透明導(dǎo)電襯底連接，將鈣鈦礦太陽能光伏電池的陰極透明導(dǎo)電襯底與光化學(xué)電池的光陰極連接。
[0033]在上述各方案中，所述陰極透明導(dǎo)電襯底包括第一透明襯底及制作于該第一透明襯底上的第一透明導(dǎo)電膜，所述陽極透明導(dǎo)電襯底包括第二透明襯底及制作于該第二透明襯底上的第二透明導(dǎo)電膜，所述鈣鈦礦太陽能光伏電池的金屬陽極與光化學(xué)電池的第二透明導(dǎo)電膜連接，所述鈣鈦礦太陽能光伏電池的第一透明導(dǎo)電膜與光化學(xué)電池的光陰極連接。
[0034]作為優(yōu)選，步驟(1)中所述聚二烯丙基二甲基氯化銨水溶液的體積濃度為1?5%;所述(Au/Ag)@Ti02納米溶液的摩爾濃度為0.01?0.05M，溶劑為乙醇或乙醚。
[0035]優(yōu)選地，步驟(1)中當(dāng)所述電子傳輸層為Ti02包覆Au的核殼層時(shí)，所述金屬陽極為Ag電極；當(dāng)所述電子傳輸層為Ti02包覆Ag的核殼層時(shí)，所述金屬陽極為Au電極。
[0036]進(jìn)一步優(yōu)選，步驟(2)中所述的光陽極金屬氧化物為通過旋涂法制作于陽極透明導(dǎo)電襯底表面的多孔層W03，或通過水浴合成法制作于陽極透明導(dǎo)電襯底表面的Fe203納米棒陣列。
[0037]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明獨(dú)創(chuàng)性的將鈣鈦礦太陽能光伏電池與光化學(xué)電池串聯(lián)在一起，利用低帶系的鈣鈦礦太陽能電池輸出電壓高的優(yōu)勢(shì)，將其與光化學(xué)電池并聯(lián)從而在無外接偏壓電源的情況下進(jìn)行水裂解制氫，Pt陰極產(chǎn)生出，金屬氧化物光陽極產(chǎn)生02，實(shí)現(xiàn)了從太陽能到氫能的直接能量轉(zhuǎn)換;使用過程中，低帶系的鈣鈦礦材料可以吸收短波的太陽光，寬帶系的光化學(xué)電池材料可以吸收長(zhǎng)波段的太陽光，有效提高了太陽光的利用率；
[0038]本發(fā)明在制備鈣鈦礦太陽能光伏電池時(shí)，在陰極透明導(dǎo)電襯底上制作了Ti02包覆Au/Ag的核殼層，并將該Ti02包覆Au/Ag的核殼層直接作為電子傳輸層使用，無需另外制作專門的電子傳輸層，簡(jiǎn)化了制備工藝，且將該核殼層作為