復(fù)合保護(hù)層、光電極結(jié)構(gòu)以及光電化學(xué)電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種光電極結(jié)構(gòu)，包括：化學(xué)保護(hù)層和物理保護(hù)層，其中化學(xué)保護(hù)層在水分解電勢(shì)下具有每單位時(shí)間0.1C/cm2或更小的腐蝕電荷，物理保護(hù)層具有0.001g/m2/天或更小的濕氣透過率并且具有電導(dǎo)率。此外，本發(fā)明提供了包括該光電極結(jié)構(gòu)的光電化學(xué)電池。
【專利說明】復(fù)合保護(hù)層、光電極結(jié)構(gòu)以及光電化學(xué)電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及用于光電極結(jié)構(gòu)的復(fù)合保護(hù)層、包括用于光電極結(jié)構(gòu)的復(fù)合保護(hù)層的光電極結(jié)構(gòu)、以及包括光電極結(jié)構(gòu)的光電化學(xué)電池(PEC)。
【背景技術(shù)】
[0002]光電化學(xué)電池(PEC)通過利用太陽能分解水而獲得氫和氧，因?yàn)樘柟夂退總€(gè)用作能源和反應(yīng)物，所以光電化學(xué)電池(PEC)是可重復(fù)利用的并且是環(huán)境友好的。
[0003]在最常規(guī)的PEC中，光電極直接接觸水溶液電解液，結(jié)果，由于光電極與水溶液電解液之間的反應(yīng)導(dǎo)致的腐蝕，PEC的性能降低。同樣，因?yàn)橹挥性谒芤弘娊庖褐蟹€(wěn)定的材料可以用作光電極的材料，所以在使用能夠發(fā)揮更好的光電效率的半導(dǎo)體材料方面存在限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]附加的方面將在隨后的描述中部分地闡述，并且部分地由該描述而明顯，或可以通過實(shí)踐給出的實(shí)施例而習(xí)之。
[0005]提供了 一種用于光電極結(jié)構(gòu)的復(fù)合保護(hù)層，其提高了用于分解水的光電極結(jié)構(gòu)的壽命。
[0006]提供了包括該復(fù)合保護(hù)層的光電極結(jié)構(gòu)。
[0007]提供了包括該光電極結(jié)構(gòu)的光電化學(xué)電池。
[0008]根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的方面，提供了一種用于光電極結(jié)構(gòu)的復(fù)合保護(hù)層，包括:化學(xué)保護(hù)層和物理保護(hù)層，其中化學(xué)保護(hù)層在水分解電勢(shì)下具有每單位時(shí)間0.lC/cm2或更小的腐蝕電荷，物理保護(hù)層具有0.001g/m2/天或更小的濕氣透過率并具有電導(dǎo)率。
[0009]物理保護(hù)層在室溫下的電導(dǎo)率為lX106S/cm或更大。
[0010]化學(xué)保護(hù)層的天然氧化物膜形成為IOnm或更小的厚度。
[0011]根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一方面，提供了光電極結(jié)構(gòu)，包括:電極；光吸收層；復(fù)合保護(hù)層；和電催化劑。
[0012]接合層可以進(jìn)一步被包括在光吸收層和復(fù)合保護(hù)層之間。
[0013]載流子阻擋層可以進(jìn)一步被包括在光吸收層和接合層之間。
[0014]光吸收層與復(fù)合保護(hù)層的物理保護(hù)層通過利用激光焊接或電弧熔化而直接接合。
[0015]該光電極結(jié)構(gòu)包括電極/Cu2O層/TiO2層/In層/Cu箔/Ta薄膜/Ta天然氧化物膜/電催化劑順序?qū)盈B的結(jié)構(gòu)，或電極/n型娃/p型娃/In層/Cu箔/Ta薄膜/Ta天然氧化物膜/電催化劑順序?qū)盈B的結(jié)構(gòu)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思另一方面，提供了包括光電極結(jié)構(gòu)的光電化學(xué)電池。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]通過下文結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述，這些和/或其他方面將變得明顯且更易于理解，附圖中:
[0018]圖1A為根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思實(shí)施方式的光電極的截面圖；
[0019]圖1B為根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思另一實(shí)施方式的光電極的截面圖；
[0020]圖2示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思實(shí)施方式的光電化學(xué)電池；
[0021]圖3A和3B示出分別根據(jù)示例I和比較示例I制造的光電陰極結(jié)構(gòu)的截面圖；
[0022]圖4A和4B示出分別根據(jù)示例I和比較示例I制造的光電陰極結(jié)構(gòu)的電流密度隨著時(shí)間的變化；
[0023]圖5A和5B示出分別根據(jù)示例2和比較示例2制造的光電陽極結(jié)構(gòu)的截面圖；
[0024]圖6A和6B示出根據(jù)示例I和比較示例I制造的光電陽極結(jié)構(gòu)的電流密度隨著時(shí)間的變化；
[0025]圖7A和7B 示出通過利用pH值為大約7的緩沖電解液水溶液對(duì)于分別根據(jù)示例2和比較示例2制造的光電陽極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性評(píng)估的結(jié)果；和
[0026]圖8A和8B示出通過利用pH值為大約11.4的緩沖電解液水溶液對(duì)于分別根據(jù)示例2和比較示例2制造的光電陽極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性評(píng)估的結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0027]現(xiàn)將詳細(xì)參考實(shí)施方式，其示例在附圖中示出，其中相同的附圖標(biāo)記通篇指代相同的元件。在這方面，本實(shí)施方式可具有不同的形式并且不應(yīng)理解為限于在此闡述的描述。因此，實(shí)施方式僅在下文通過參考附圖來描述，從而解釋當(dāng)前描述的各方面。
[0028]在下文，將詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的方面的用于光電極結(jié)構(gòu)的復(fù)合保護(hù)層、包括用于光電極結(jié)構(gòu)的該復(fù)合保護(hù)層的光電極結(jié)構(gòu)、以及包括該光電極結(jié)構(gòu)的光電化學(xué)電池(PEC)0
[0029]為了利用太陽光實(shí)現(xiàn)水分解技術(shù)或?qū)崿F(xiàn)人工光合作用技術(shù)，需要這樣的半導(dǎo)體材料:其能夠通過吸收太陽光而產(chǎn)生至少2eV的電動(dòng)勢(shì)，其中高效產(chǎn)生的電荷參與在光電極的表面上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，而且甚至長時(shí)間在水中使用之后其沒有引起降低的效率和性能。然而，盡管迄今已經(jīng)開發(fā)的半導(dǎo)體材料具有在電動(dòng)勢(shì)和化學(xué)反應(yīng)中的轉(zhuǎn)換效率方面的滿意條件，但是由于光電極在水中的光電腐蝕導(dǎo)致壽命和效率不令人滿意，所以半導(dǎo)體材料需要改進(jìn)。
[0030]在下文將更詳細(xì)地描述當(dāng)光電極形成材料是MxOy時(shí)光電極的光電腐蝕現(xiàn)象。
[0031]在光電陽極中，發(fā)生由以下的公式I代表的化學(xué)反應(yīng)，在光電陰極中，發(fā)生由以下的公式2代表的化學(xué)反應(yīng)。
[0032][公式I]
[0033]
MxOy + 2y/x h+ ο xMaym' _ + y/2 O2
[0034]
xM(s) + yH20 + 2yh+^ MxOy + 2y H+ (aq)
[0035][公式2]
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種用于光電極結(jié)構(gòu)的復(fù)合保護(hù)層，該復(fù)合保護(hù)層包括化學(xué)保護(hù)層和物理保護(hù)層， 其中所述化學(xué)保護(hù)層在水分解電勢(shì)下具有每單位時(shí)間0.lC/cm2或更小的腐蝕電荷，且 所述物理保護(hù)層具有0.001g/m2/天或更小的濕氣透過率并且具有電導(dǎo)率。
2.如權(quán)利要求1所述的用于光電極結(jié)構(gòu)的復(fù)合保護(hù)層，其中所述物理保護(hù)層在室溫下的電導(dǎo)率為lX106S/cm或更大。
3.如權(quán)利要求1所述的用于光電極結(jié)構(gòu)的復(fù)合保護(hù)層，其中所述化學(xué)保護(hù)層包括從4族、5族、11族、13族、14族、或其合金中選出的至少一種金屬。
4.如權(quán)利要求1所述的用于光電極結(jié)構(gòu)的復(fù)合保護(hù)層，其中所述化學(xué)保護(hù)層包括從鉭、鈮、鈦、鎵、鋯、鍶、銅、鉿、鋁、銦、或其合金中選出的至少一種金屬。
5.如權(quán)利要求1所述的用于光電極結(jié)構(gòu)的復(fù)合保護(hù)層，其中所述化學(xué)保護(hù)層包括不溶于水、在水分解電勢(shì)下具有I至12的pH值的材料。
6.如權(quán)利要求1所述的光電極結(jié)構(gòu)的復(fù)合保護(hù)層，其中所述化學(xué)保護(hù)層包括鉭、鈮、鈦、或其合金中的至少一種。
7.如權(quán)利要求1所述的用于光電極結(jié)構(gòu)的復(fù)合保護(hù)層，其中所述物理保護(hù)層包括從金屬、碳基材料、氧化物導(dǎo)體和無機(jī)材料-聚合物復(fù)合導(dǎo)體中選出的至少一種。
8.如權(quán)利要求7所述的用于光電極結(jié)構(gòu)的復(fù)合保護(hù)層，其中所述金屬包括從5族、11族、13族、其合金或不銹鋼中選出的至少一種金屬。 所述碳基材料包括從無定形碳、石墨和石墨烯中選出的至少一種，且 所述氧化物導(dǎo)體包括In2O3: Sn、SnO2:F、ZnO:Al、TiO2:Nb和SrTiO3 = Nb中的至少一種。
9.如權(quán)利要求8所述的用于光電極結(jié)構(gòu)的復(fù)合保護(hù)層，其中所述金屬包括鋁、銅、不銹鋼、鉭、鈮、鈦、其合金、或不銹鋼中的至少一種。
10.如權(quán)利要求1所述的用于光電極結(jié)構(gòu)的復(fù)合保護(hù)層，其中所述物理保護(hù)層是自立式箔或自立式膜。
11.如權(quán)利要求1所述的用于光電極結(jié)構(gòu)的復(fù)合保護(hù)層，其中所述保護(hù)層進(jìn)一步包括所述化學(xué)保護(hù)層的天然氧化物膜，且 所述天然氧化物膜的厚度為IOnm或更小。
12.如權(quán)利要求1所述的用于光電極結(jié)構(gòu)的復(fù)合保護(hù)層，其中所述復(fù)合保護(hù)層包括銅箔和鉭薄膜，或 所述復(fù)合保護(hù)層進(jìn)一步包括所述化學(xué)保護(hù)層的天然氧化物膜，且所述復(fù)合保護(hù)層包括銅箔、鉭薄膜和該鉭薄膜的天然氧化物膜。
13.一種光電極結(jié)構(gòu)，包括:電極；光吸收層；如權(quán)利要求1所述的任意復(fù)合保護(hù)層；和電催化劑。
14.如權(quán)利要求13所述的光電極結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括在所述光吸收層和所述復(fù)合保護(hù)層之間的接合層。
15.如權(quán)利要求14所述的光電極結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括在所述光吸收層和所述接合層之間的載流子阻擋層。
16.如權(quán)利要求 13所述的光電極結(jié)構(gòu)，其中所述光吸收層與所述復(fù)合保護(hù)層的物理保護(hù)層通過利用激光焊接或電弧熔化而直接接合。
17.如權(quán)利要求13所述的光電極結(jié)構(gòu)，其中所述光吸收層包括從Cu20、Cu(In, Ga)(S，Se)2、Cu (Zn, Sn) (S, Se) 2、S1、W03、BiV04、CdS、CdSe、CdTe、ZnSe、InGaN、AlGaN、GaAs、GaP, InGaP和ZnGeP2中選出的至少一種。
18.如權(quán)利要求13所述的光電極結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括在所述復(fù)合保護(hù)層和所述電催化劑之間的所述化學(xué)保護(hù)層的天然氧化物膜，其中所述天然氧化物膜的厚度為IOnm或更小。
19.如權(quán)利要求16所述的光電極結(jié)構(gòu)，其中所述光電極結(jié)構(gòu)包括電極/Cu2O層/1102層/In層/Cu箔/Ta薄膜/Ta天然氧化物膜/電催化劑順序?qū)盈B的結(jié)構(gòu)，或 電極/n型硅/p型硅/In層/Cu箔/Ta薄膜/Ta天然氧化物膜/電催化劑順序?qū)盈B的結(jié)構(gòu)。
20.一種光電化學(xué)電池,包括如權(quán)利要求13所述的光電極結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H01M4/86GK103972611SQ201310698752
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月29日
【發(fā)明者】金泰坤, 李晶姬, 任承宰, 金泰亨 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社