Кремниевый фотоэлектрод
Номер инновационного патента: 30164
Опубликовано: 15.07.2015
Авторы: Токмолдин Нурлан Серекболович, Ракыметов Багдат Аскарович, Токмолдин Серекбол Жарылгапович, Тныштыкбаев Курбангали Байназарович
Формула / Реферат
Изобретение относится к водородной и солнечно-водородной энергетике и может быть использовано в установках получения и аккумулирования водорода. В результате реакции фотоэлектролиза воды солнечная энергия аккумулируется в виде энергии химического топлива водорода и кислорода.
В качестве фотокатода используется пористый кремний р-типа с силицидовыми связями внутри пор, что за счет развитой поверхности пористого кремния, приводит к снижению величины перенапряжения, увеличению скорости и стабильности выделения водорода при электролизе воды и водных растворов и обеспечению повышенной эффективности аккумулирования солнечной энергии.
Текст
(51) 01 4/02 (2006.01) 01 4/134 (2006.01) 01 4/52 (2006.01) 01 33/02 (2006.01) 01 33/06 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ аккумулируется в виде энергии химического топлива водорода и кислорода. В качестве фотокатода используется пористый кремний -типа с силицидовыми связями переходных металлов внутри пор, что за счет развитой поверхности пористого кремния и покрытия поверхности пор силицидами переходных металлов, приводит к снижению величины перенапряжения,увеличению скорости и стабильности выделения водорода при электролизе воды и водных растворов и обеспечению повышенной эффективности аккумулирования солнечной энергии.(72) Тныштыкбаев Курбангали Байназарович Ракыметов Багдат Аскарович Токмолдин Серекбол Жарылгапович Токмолдин Нурлан Серекболович(57) Изобретение относится к водородной и солнечно-водородной энергетике и может быть использовано в установках получения и аккумулирования водорода. В результате реакции фотоэлектролиза воды солнечная энергия Изобретение относится к способу получения водорода при расщеплении молекулы воды для использования в водородной и солнечноводородной энергетике. Одним из способов получения молекулярного водорода является расщепление молекулы воды на поверхности материала, имеющего положительный потенциал относительно электрохимического потенциала воды и называемого катодом. Если потенциал катода,инициирующий реакцию расщепления, образуется счет образования в нем свободных электронов при поглощении света, то он называется фотокатодом. Образование одной молекулы водорода Н 2 сопровождается передачей двух электронов из катода двум катионам водорода Н, находящимся в воде. В свою очередь, на противоположном электроде, называемом анодом,происходит образование молекулярного кислорода,сопровождающееся окислением гидроксильной группы ОН-. Обязательным условием прохождения реакции расщепления воды является наличие достаточного потенциала между катодом и анодом,превышающего 1,23 В. Для повышения эффективности процесса также необходимо создание избыточных потенциалов(перенапряжений) на катоде (порядка 100 мВ) и аноде (порядка 200 мВ). Таким образом, для осуществления в рассматриваемой системе реакции фотокаталитического расщепления воды энергия света,поглощаемого на фотокатоде,а следовательно, и ширина запрещенной зоны фотокатода должна превышать 1,53 эВ. Задачей настоящего изобретения является создание фотокатода для фотокаталитического расщепления воды, имеющего высокую эффективность и устойчивость. Из литературы известен способ создания фотоанода на основе широкозонных полупроводниковых оксидов металлов(см. Ю.Я. Гуревич, Ю.В. Плесков. Фотоэлектрохимия полупроводников. Москва, Наука, 1983, с.312 А.И. Кулак. Электрохимия полупроводниковых гетероструктур. Минск, БГУ, 1986, с.191). Недостатком такого фотоанода является низкая эффективность преобразования солнечной энергии(1). Известен способ создания фотокатода из кремния -типа, на поверхности которого облучением низкоэнергетическими протонами формируется слой гидрида кремния(Тыныштыкбаев К.Б. Способ получения водорода из воды и водных растворов фотоэлектролизом с использованием фотоэлектродов / Пред. патент РК 7248,заявки 970172 от 20.02.97). Подобный фотокатод позволяет выделять водород из водных растворов электролитов. Недостаток такого фотокатода заключается в низкой эффективности фотоэлектролиза воды за счет использования низкоэнергетической части спектра солнечного излучения и нестабильности электрода. Известен способ создания фотокатода из кремния -типа либо с полным покрытием поверхности кремния полупрозрачным слоем 2(Тыныштыкбаев К.Б. Способ модифицирования поверхности кремниевого фотокатода для получения водорода из воды и водных растворов электролитов. / А.с. РК, 21396 от 03.02.97. Бюл. 4, 15.04.1999). На основе подобного принципа был разработан кремниевый фотоэлектрод из пористого кремния -типа либо с тонким однородным силицидовым покрытием из металлов переходной группы, либо с силицидовыми островками(Тыныштыкбаев К.Б. Кремниевый фотоэлектрод / Инновационный патент РК 61255, заявка 2008/0883.1 от 28.07.2008, изобрет. 21611, Бюлл. 8, 2009 г.). Последний способ создания фотоэлектрода наиболее близок к заявляемому и взят за прототип. Недостаток прототипа заключается в том, что для генерации водорода используется не вся поверхность фотоэлектрода при толстом слое металла занятая силицидовыми покрытиями поверхность полностью исключается из процесса фотогенерирования зарядов, а при полупрозрачном слое металла теряется фоточувствительность. Еще одним недостатком является невысокая стабильность поверхностного силицидового слоя. Для повышения фоточувствительности фотоэлектрода, увеличения выхода продуктов фотоэлектрохимических реакций и срока работы фотоэлектрода предлагается способ создания кремниевого фотоэлектрода из пористого кремния,полученного на кристаллическом кремнии -типа, с силицидовым покрытием внутренних поверхностей пор. Использование в качестве пористого кремния с тонким однородным силицидовым покрытием внутренних поверхностей пор, устраняет недостатки прототипа,позволяя получать технический результат, состоящий в том, что достигаются более высокая эффективность аккумулирования солнечной энергии за счет развитой поверхности пористого кремния,снижения величины перенапряжения и увеличения скорости выделения водорода за счет проявления квантово-размерных эффектов пор, а также более высокая стабильность силицидового слоя, содержащегося в порах. Сущность изобретения Предлагаемый способ создания кремниевого фотоэлектрода включает анодное травление кремниевой пластины -типа в растворе плавиковой кислоты с содержанием солиметаллов переходной группы, при котором образуется слой пористого кремния с силицидосодержащим покрытием из металлов переходной группы на внутренней поверхности пор. Для получения пористого кремния кристаллические кремниевые пластины -типа проводимости, имеющие толщину 250 мкм и 500 мкм, подвергались электрохимическому анодному травлению во фторопластовой ячейке при комнатной температуре без дополнительной подсветки. Электрохимическое травление проводилось при варьируемом токе и варьируемом напряжении в водном растворе плавиковой кислоты. В результате травления сформирована упорядоченная система пор диаметром от 10 нм до 10 мкм и глубиной 150-200 мкм в зависимости от условий травления. В случае пластин толщиной 250 мкм травление производилось только с одной стороны, а в случае пластин толщиной 500 мкм травление осуществлялось с двух сторон. В обоих случаях непротравленным оставался слой толщиной 50-100 мкм в случае 250-ти микрометровых пластин и 100-200 мкм в случае 500-микрометровых пластин. Для осаждения металла на внутренней поверхности свежевытравленных пор, сразу после окончания процесса травления осуществлялась замена раствора -электролита на раствор соли переходного металла без контакта с воздухом и использование непрерывного процесса электрохимического катодного осаждения металла на самих порах. Далее, после осаждения металла образцы подвергались термическому отжигу при 300-400 С для формирования силицидов. Такая последовательность обработок позволяла формировать пористые структуры с силицидовыми покрытиями внутри пор для использования их в качестве фотоэлектрода в электрохимических ячейках разложения воды на водород и кислород. В качестве примеров приведены варианты электрохимического осаждения для соли никеля 2. Пример 1. Пластина кремния-типа проводимости толщиной 500 мкм и размером 22 мм 2 подвергалась электрохимическому анодному травлению в водном растворе плавиковой кислоты, промывке в воде и просушке на воздухе. В результате травления сформирована упорядоченная система пор с диаметрами от 10 нм до 10 мкм в зависимости от условий травления пор. При использовании такого образца пористого кремния на основе кремниевой пластины -типа в качестве фотокатода (-/-), а платиновойпластины в качестве анода, катодный ток выделения водорода в водном растворе 0,1 М НС был равен(Н 2)4,5 мА при электрохимическом потенциале выделения водорода 2,5 В. Пример 2. Пластина кремния-типа проводимости толщиной 500 мкм и размером 22 мм 2 подвергалась электрохимическому анодному травлению в водном растворе плавиковой кислоты, промывке в воде и просушке на воздухе. В результате травления сформирована упорядоченная система пор с диаметрами от 10 нм до 10 мкм в зависимости от условий травления пор. После промывки в воде и просушки образца пористого кремния для формирования на его поверхности никелевого силицидового покрытия осуществлялось электрохимическое катодное осаждение никеля из раствора 0,1 М 2 и термический отжиг при 300-400 С. При использовании такого образца пористого кремния на кремниевой пластине р-типа с силицидовым покрытием на основе никеляв качестве фотокатода (/-/-) (в качестве анода использовалась ) катодный ток выделения водорода в водном растворе 0,1 М НС 1-электролита был равен (Н 2)8,0 мА при электрохимическом потенциале выделения водорода 2,3 В. Пример 3. Пластина кремния-типа проводимости толщиной 500 мкм и размером 22 мм 2 подвергалась электрохимическому анодному травлению пор в водном растворе плавиковой кислоты, замене электролита на 0,1 М 2-электролит и электрохимическому катодному осаждению никеля внутри пор. В результате такой обработки сформирована упорядоченная система пор с диаметрами от 10 нм до 10 мкм в зависимости от условий травления пор с осажденным внутри пор никелем. Процесс осаждения никеля внутри пор осуществлялся путем замены раствора-электролита на раствор 0,1 М 2 6 Н 2 О без промывки водой и без контакта с воздухом. Для формирования внутри пор силицидовых связей с атомами никеля проводился термический отжиг образца при 300-400 С. При использовании такого образца пористого кремния на кремниевой пластине р-типа с силицидовым покрытием на основе никеля внутри пор (-/-) в качестве фотокатода (в качестве анода использовалась ) катодный ток выделения водорода в водном растворе 0,1 М НС был равен (Н 2)9,75 мА при электрохимическом потенциале выделения водорода 2,3 В. Пример 4. Пластина кремния-типа проводимости толщиной 500 мкм и размером 22 мм 2 подвергалась электрохимическому анодному травлению пор в водном растворе плавиковой кислоты, замене электролита на 0,1 М е 23-электролит и электрохимическому катодному осаждению никеля внутри пор. В результате такой обработки сформирована упорядоченная система пор с диаметрами от 10 нм до 10 мкм в зависимости от условий травления пор с осажденным внутри пор железом. Процесс осаждения железа внутри пор осуществлялся путем замены раствора электролита на раствор 0,1 М 23 6 Н 2 О без промывки водой и без контакта с воздухом. Для формирования внутри пор силицидовых связей с атомами никеля проводился термический отжиг образца при 300-400 С. При использовании такого образца пористого кремния на кремниевой пластине р-типа с силицидовым покрытием на основе никеля внутри пор (-/-) в качестве фотокатода (в качестве анода использовалась ) катодный ток выделения водорода в водном растворе 0,1 М НС был равен (Н 2)5,75 мА при электрохимическом потенциале выделения водорода 2,3 В. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ создания кремниевого фотоэлектрода,включающий анодное травление пластин кристаллического кремния р-типа для образования пористого кремния и получение на поверхности 3 пористого кремния силицидового покрытия из металлов переходной группы, отличающийся тем,что процесс осаждения металла переходной группы осуществляется на внутренней поверхности пор сразу после формирования пор без контакта с кислородом воздуха с последующим термическим отжигом при 300-4000 С, что обеспечивает формирование силицидовых связей внутри пор на неокисленной поверхности пористого кремния.
МПК / Метки
МПК: H01M 4/134, C01B 33/06, H01M 4/02, H01M 4/52, C01B 33/02
Метки: кремниевый, фотоэлектрод
Код ссылки
<a href="https://kz.patents.su/4-ip30164-kremnievyjj-fotoelektrod.html" rel="bookmark" title="База патентов Казахстана">Кремниевый фотоэлектрод</a>
Предыдущий патент: Способ прямого помехоустойчивого определения содержания урана при каротаже по мгновенным нейтронам деления
Следующий патент: Устройство для защиты закрытых токопроводов от коротких замыканий
Случайный патент: Способ электролитического осаждения оболочки из металла на катоде и катодная пластина для электролитического осаждения