Способ фотоэлектрохимического аккумулирования солнечной энергии

(51) 01 4/02 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ фотоэлектролиза воды под действием солнечного света. Способ фотоэлектрохимического аккумулирования солнечной энергии основан на развитой поверхности контакта кремний-электролит и на квантово-размерных эффектах, которые проявляются при нанометровых размерах пор кремния,получаемого при анодном травлении. В качестве фотокатода используется пористый кремний р-типа с однородным силицидовым покрытием либо с силицидовыми островками, что за счет развитой поверхности пористого кремния и проявления квантово-размерных эффектов обеспечивает снижение величины перенапряжения,увеличения скорости выделения водорода, более высокую эффективность аккумулирования солнечной энергии.(56) Предварительный патент РК 7248, кл. Н 01 М 4/02, 15.02.1999(54) СПОСОБ ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО АККУМУЛИРОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ(57) Способ фотоэлектрохимического аккумулирования солнечной энергии относится к солнечно-водородной энергетике. Способ фотоэлектрохимического аккумулирования солнечной энергии может быть использован для аккумулирования солнечной в виде энергии химического топлива водорода и кислорода,получающиеся в результате реакции 21819 Область применения - Солнечно-водородная энергетика. Известен способ получения водорода из воды и водных растворов путем фотоэлектролиза, когда в качестве фотоанода используются широкозонные полупроводниковые оксиды металлов(см. Ю.Я.Гуревич, Ю.В.Плесков. Фотоэлектрохимия полупроводников. М., Н., 1983, с.312. А.И.Кулак. Электрохимия полупроводниковых гетероструктур. Минск, БГУ, 1986, с.191). Недостаток - низкая 1 эффективность преобразования солнечной энергии видимого спектра света. Известен способ получения водорода из воды и водных растворов фотоэлектролизом с использованием фотокатодов из кремния р-типа с барьером Шоттки из силицидного покрытия(Такибаев Ж.С., Тныштыкбаев К.Б. Перспективы развития солнечно-водородной энергетики / Изв. АН КазССР, сер.физ.-мат., 1986,4, с.59-63). Недостаток - используется не вся поверхность фотоэлектрода, занятая силицидовыми покрытиями поверхность либо исключается из процесса фотогенерирования зарядов полностью при толстом слое металла, либо теряется фоточувствительность при полупрозрачном слое металла. Известен способ получения водорода из воды и водных растворов фотоэлектролизом с использованием кремниевых фотоэлектродов, когда в качестве фотокатода используется кремний р-типа с чередующимися силицидовыми и оксидными покрытиями-островками(Тыныштыкбаев К.Б. Способ получения водорода из воды и водных растворов фотоэлектролизом с использованием фотоэлектродов/ Предварительный патент 7248 от 20.02.97. Бюл.2, 15.02.1999. Авторское свидетельство 20716 /, наиболее близкий к заявляемому и взятый за прототип. Недостаток прототипа - используется не вся поверхность фотоэлектрода, занятая силицидовыми покрытиями поверхность либо исключается из процесса фотогенерирования зарядов полностью при толстом слое металла, либо теряется фоточувствительность при полупрозрачном слое металла. Для увеличения выхода продуктов фотоэлектрохимических реакций предлагается поверхность кремниевого фотоэлектрода выполнить в виде пор. Это позволяет получать фотокатоды с развитой поверхностью, способные эффективно выделять водород из водных растворов электролитов. Предлагаемый способ фотоэлектрохимического аккумулирования солнечной энергии устраняет отмеченные недостатки,позволяя получать технический результат, состоящий в том, что поверхность кремниевого фотоэлектрода выполненная в виде пор обеспечивает более высокую эффективность аккумулирования солнечной энергии за счет развитой поверхности пористого кремния,снижения величины 2 перенапряжения при квантово-размерных эффектах и увеличения скорости выделения водорода. Предлагаемый способ фотоэлектрохимического аккумулирования солнечной энергии основан на увеличении площади контакта кремниевого электрода с электролитом за счет развитости поверхности пор и на квантово-размерных эффектах, которые проявляются при нанометровых размерах, какими являются поры кремния,получаемые при анодном травлении. За счет создания пор поверхность кремниевого фотоэлектрода,контактирующая с водным раствором, становится развитой, многократно увеличивается площадь контакта его с электролитом. Кроме того, за счет проявления квантово-размерных эффектов в виде уширения запрещенной энергетической зоны с 1,1 эВ у монокристаллического кремния до Е 2-3 эВ у наноразмерного кремния. Совокупность этих параметров приводит к многократному увеличению скорости выделения водорода и к увеличению эффективности аккумулирования солнечной энергии. Способ аккумулирования солнечной энергии заключается в том, что солнечный свет, освещая поверхность пористого кремниевого фотоэлектрода,генерирует в кремнии неравновесные носители заряда электроны и дырки. Фотогенерированные носители заряда в кремниевом фотоэлектроде достигают соответствующих границ раздела контакта пористый кремний-электролит и участвуют в электрохимических реакциях выделения водорода на катоде (К) и кислорода на аноде 2 кислород собираются через соответствующие системы сбора и утилизации газов, и используются в качестве химических источников энергии. Пример 1. Кремний р-типа, омность 1 Ом.см,марка КДБ-1 темновой ток Т 2 мА/см 2, световой ток 3 м/см 2. Катодный потенциал ,0 эВ, уровень освещенности белым светом 100 мВт/см 2,электролит- 1 24. Пример 2. Кремний р-типа, омность 1 Ом.см,марка КДБ-1, поверхность покрыта силицидом никелятолщиной до 100 нм 7 м/см 2,18 м/см 2 (,0 эВ, 00 мВт/см 2, 1 24). Пример 3. Пористый (пористость Р 25) кремний р-типа, омность 1 Ом.см, марка КДБ-1,20 м/м 2,100 м/м 2(,0 3,2 100 мВт/см , 124). Пример 4. Пористый (пористость Р 25) кремний р-типа, омность 1 Ом.см, марка КДБ-1,поверхность покрыта силицидом никелятолщиной до 100 нм 30 мА/см 2, 200 м/см 2(1,0 эВ, 100 мВт/см 2, 1 24). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ фотоэлектрохимического аккумулирования солнечной энергии, использующий в качестве фотоэлектрода кремний с силицидовыми фотоэлектрода делается развитой за счет создания пор.