太阳电池制氢的电极材料和器件结构的研究.pdf

摘要 太阳电池光电化学制氢具有结构简单、实用性强的特点，是具有发展潜力 的制氢技术。本论文设计了玻璃衬底非晶硅太阳电池的制氢器件，并系统研究 了该器件结构、材料特性等对制氢效率的影响；采用对靶直流磁控溅射技术制 备催化电极材料；自行设计并实现了实验室规模的氢气收集与制氢量测量装置。 本论文主要完成了以下几方面的研究工作： 1、对催化电极材料进行了研究。对氧化物析氧阳极的研究发现，随着溅射 气压的增加(O．5Pa,--4．0Pa)，镍铁氧化物的电阻率和析氧过电位先减小后增大； 随着氧气浓度增大，析氧过电位增大，电阻率减小；镍铁氧化物相对于氧化镍， 电阻率和析氧过电位明显减小，而且电流密度较大时铁含量越大，析氧过电位 越小。薄膜厚度小于1ulIl时，厚度增加，析氧过电位减小；当薄膜厚度达到11．tm 时，析氧过电位不再随厚度变化。溶液温度越高，析氧过电位越小。溶液浓度 越大，析氧过电位越小，但腐蚀也更加严重。在常温下，制备的阳极催化薄膜 度对析氢过电位的影响，溶液浓度越大，析氢过电位越小，但析氢平衡电极电 位增大，电极腐蚀也非常严重。 2、对太阳电池制氢的器件结构进行研究。用银浆粘结催化电极的结构，抗 腐蚀较好，但串联电阻较大，而且不易实现大规模工业化制造。催化电极直接 溅射到太阳电池两侧的结构，能较好的实现制氢，但是器件工作一段时间后， 催化电极出现腐蚀脱落的现象。在对新结构的进一步研究中，我们发现，研究 新器件结构的关键技术是制备出非常致密、对电池和催化电极附着力较强且不 与碱性电解液反应的导电薄膜，作为电池与催化电极之间的过渡层和保护层。 3、设计了三种制氢效率的测量方法，自行设计并实现了实验室规模的氢气 收集与制氢量测量装置。研究结果表明，系统工作点确定制氢效率的方法是最 简单的，只需要测得太阳电池的J．V特性曲线和电化学负载曲线，但是用未溅射 催化电极之前的J．V特性曲线得到的制氢效率比实际值偏大一些；直接测电流法 确定制氢效率是最直接的方法，因为能够直接测出器件工作时的电流值，进而 带入公式得到制氢效率，但这种方法是将催化电极和太阳电池分离，所以只能 摘要 用来验证其他制氢效率的确定方法；收集气体(H2)法确定制氢效率是最实用、 最准确的方法，因为太阳电池的制氢效率就是表示太阳能到氢能的转化多少。 关键词：太阳电池光电化学制氢；析氧过电位；析氢过电位；制氢效率 II Abstraet Abstract solarcellshasthe Photoelectrochemical(PEC)hydrogengenerationusing of devicestructureand itisoneofthebest simple goodpracticability,and advantages this film have electrodes generationtechniques．Indissertation,Catalysis hydrogen DC structureof beenfabricatedmagnetron method．Device by sputtering hydrogen cellsonthe hasbeen amorphoussilicon(a-Si)solarglass