太陽電池一步法制氫催化電極材料及其應(yīng)用研究.pdf

1、在太陽電池一步法制氫系統(tǒng)中，采用串聯(lián)或疊層結(jié)構(gòu)的太陽電池，既可以滿足電解水對電壓的要求，又可以提高系統(tǒng)對太陽光譜的利用率，從而提高太陽能制氫的轉(zhuǎn)換效率。在太陽電池兩端，分別制備耐腐蝕的具有較低過電位的析氫電極(陰極)材料和析氧電極(陽極)材料，是提高整個系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。本論文用能帶理論對太陽電池一步法制氫系統(tǒng)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，重點研究了該系統(tǒng)中析氫和析氧催化電極材料，并將其應(yīng)用在集成型(內(nèi)部串聯(lián))非晶硅太陽電池制氫系統(tǒng)中。

2、 1.采用直流磁控濺射法制備Ni、NiFe、NiMo和CoMo薄膜材料作為析氫催化膜電極。在所研究的氣壓范圍內(nèi)(0.5Pa-4Pa)，首次發(fā)現(xiàn)膜電極的厚度與電極的析氫活性之間的關(guān)系：當(dāng)薄膜較薄時，電極的極化受底層材料Ni的影響，過電位較大，當(dāng)厚度超過某一臨界值時(不同材料在不同環(huán)境條件下的臨界值不同)，極化程度較低，此時的電化學(xué)極化可以排除底層材料Ni的影響；發(fā)現(xiàn)析氫反應(yīng)的過電位隨制備氣壓升高而降低，在氣壓為2.0Pa時，膜電極的過

3、電位發(fā)生突變：氣壓低于2.0Pa，過電位降低的趨勢較大，當(dāng)氣壓高于2.0Pa時，過電位降低的趨勢減小，與此同時，Tafel斜率也隨氣壓的升高而降低，表明速控步驟隨氣壓的變化而變化；通過對這幾類材料過電位集中進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)Ni81Fe19和Co0.7Mo0.3為濺射靶材制備的析氫催化膜電極的過電位較低。25℃，1MKOH溶液中，電流密度為10mA/cm2時，析氫過電位分別為0.12V和0.13V左右。低析氫過電位材料的結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為衍射峰

4、較弱的非晶態(tài)。在對電極材料斷續(xù)性極化的測試中(180小時)，發(fā)現(xiàn)用Ni81Fe19作為濺射靶材，制備的電極析氫活性保持較好，而NiMo和CoMo電極析氫活性退化很快。 2.對析氧催化膜電極材料進(jìn)行了研究，主要包括鎳、氧化鎳和氧化鎳鐵三種材料。通過對比發(fā)現(xiàn)氧化鎳鐵的極化程度最低，這與氧化鎳鐵中含有Fe元素和較多的Ni+3有關(guān)，Ni+3使材料的電阻率下降，導(dǎo)電性增強，電極中的Fe阻止了析氧反應(yīng)過程中NiO2的生成，從而減小了析氧反應(yīng)

5、的活化能，降低了析氧過電位。通過這部分研究，首次發(fā)現(xiàn)氧化鎳鐵的電阻率與濺射腔內(nèi)的氧濃度有關(guān)：當(dāng)氧濃度升高時，薄膜的電阻率減小。析氧過程極化曲線的Tafel斜率b隨氧濃度的降低而降低，當(dāng)氧濃度為2％時，氧化鎳鐵在析氧過程中，極化曲線的Tafel斜率b在30mV/dec左右；氧化鎳在析氧過程中，極化曲線Tafel斜率b在40mV/dec左右。首次發(fā)現(xiàn)了氧化鎳鐵薄膜的過電位隨材料的晶化程度增高而降低，并通過退火實驗進(jìn)一步證實晶化程度的提高是過

6、電位降低的因素之一。綜合考慮電極的過電位和電阻率，確定2.0Pa，濃度為10～40％時，制備的氧化鎳鐵膜電極過電位和電阻率較低，在氣壓條件為2.0Pa，氧濃度為24％時，得到了析氧過電位為0.3V左右(電流密度為10mA/cm2) 3.設(shè)計了集成型非晶硅太陽電池一步法制氫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析得到了制氫效率與系統(tǒng)的工作電流密度成正比的關(guān)系。低過電位和高電流密度是提高制氫效率的關(guān)鍵因素，但是在電流密度提高的同時，催化電極的過電位隨之增加