本發(fā)明涉及光電催化，具體涉及一種可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件。

背景技術(shù)：

1、發(fā)展先進(jìn)新能源技術(shù)及器件是解決能源危機(jī)、溫室效應(yīng)、環(huán)境污染等問題的關(guān)鍵途徑。高效利用太陽能，采用光電化學(xué)方法將太陽能直接轉(zhuǎn)化為可再生燃料(如氫氣)是一個促進(jìn)可持續(xù)能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展的有效策略。有機(jī)-無機(jī)雜化金屬鹵化物鈣鈦礦作為一種光伏材料已表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能、低成本等優(yōu)勢，近年來受到了太陽能驅(qū)動電催化領(lǐng)域的關(guān)注，然而大多數(shù)基于鈣鈦礦光伏驅(qū)動的電催化器件都需要分不同模塊進(jìn)行組合，從而依賴于額外導(dǎo)線等部件連接，大大增加了裝置組建成本與使用空間，因此限制了光電化學(xué)制氫的進(jìn)一步商業(yè)化發(fā)展。

2、公告號為cn107464881b的中國專利公開了一種面向光解水制氫的集成器件及其制作方法，所述集成器件包括光陽極、鈣鈦礦太陽能電池及光陰極，其特征在于：所述光陽極與所述鈣鈦礦太陽能電池的透明導(dǎo)電基底絕緣貼合，并與所述鈣鈦礦太陽能電池的對電極電性連接；所述光陽極吸收紫外光及一部分可見光，另一部分可見光穿過所述光陽極激發(fā)所述鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)生偏壓；所述對電極形成在所述鈣鈦礦太陽能電池的鈣鈦礦層或空穴傳輸層上，并與所述光陰極絕緣貼合，所述光陰極與所述鈣鈦礦太陽能電池的透明導(dǎo)電基底電性連接。但是上述方案鈣鈦礦太陽能驅(qū)動的電催化器件都需要分不同模塊進(jìn)行組合后通過導(dǎo)線將催化正負(fù)極相連，這導(dǎo)致器件集成度低，在導(dǎo)線等中間部件傳輸過程中不可避免存在能量損耗且需多個太陽能電池串聯(lián)以實(shí)現(xiàn)電解水的偏壓。同時，上述方案中整個器件被埋入水中，上方的水不可避免地吸收了一定的太陽光，導(dǎo)致光照的損失。因此，提供一種可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件，來實(shí)現(xiàn)高集成制氫且無需外置偏壓輔助，同時通過減小器件整體密度實(shí)現(xiàn)器件可漂浮使得透光面與水平面平行，是非常有必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件，在可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件中，光陽極和光陰極利用光生電子產(chǎn)生化學(xué)能，通過導(dǎo)電基底內(nèi)部形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，無需外置導(dǎo)線和外置偏壓輔助，器件產(chǎn)生的空穴和電子可分別驅(qū)動陽極的析氧和陰極的析氫反應(yīng)，器件最終制取的氫氣和氧氣可通過腔體通道的傳輸實(shí)現(xiàn)分離。

2、本發(fā)明提供一種可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件，包括透明導(dǎo)電基底、封裝部、光陽極以及光陰極，其中，

3、所述封裝部包括至少兩個第一封裝子部和第二封裝子部，兩個所述第一封裝子部相對且間隔設(shè)置，所述第二封裝子部設(shè)置于相對的兩個所述第一封裝子部之間，所述第一封裝子部和所述第二封裝子部均設(shè)置與所述透明導(dǎo)電基底上；

4、位于所述透明導(dǎo)電基底一側(cè)的所述第一封裝子部與所述第二封裝子部之間形成第一腔體，所述第一腔體一側(cè)為封閉，另一側(cè)為開口，所述光陽極設(shè)置于所述第一腔體內(nèi)，位于所述透明導(dǎo)電基底另一側(cè)的第一封裝子部與所述第二封裝子部之間形成第二腔體，所述第二腔體一側(cè)為封閉，另一側(cè)為開口，所述光陰極設(shè)置于所述第二腔體內(nèi)，所述第一腔體的開口與所述第二腔體的開口相對設(shè)置，所述光陽極與所述光陰極均設(shè)置與所述透明導(dǎo)電基底上；

5、所述光陽極包括由上至下依次堆疊的光陽極電子傳輸層、光陽極鈣鈦礦吸光層、光陽極空穴傳輸層、光陽極隔水電極層以及光陽極催化劑層；

6、所述光陰極包括由上至下依次堆疊的光陰極空穴傳輸層、光陰極鈣鈦礦吸光層、光陰極電子傳輸層、光陰極隔水電極層以及光陰極催化劑層。

7、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述光陽極空穴傳輸層和/或所述光陰極空穴傳輸層的材料均包括無機(jī)傳輸材料、有機(jī)聚合空穴傳輸材料、有機(jī)小分子材料、單分子自組裝材料中的一種或多種，所述光陽極空穴傳輸層和所述光陰極空穴傳輸層的厚度均為1nm～300nm。

8、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述光陽極電子傳輸層和/或所述光陰極電子傳輸層的材料均包括無機(jī)電子傳輸材料以及有機(jī)電子傳輸材料中的一種或多種，所述光陽極電子傳輸層和所述光陰極電子傳輸層的厚度均為1nm～300nm。

9、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述光陽極鈣鈦礦吸光層或所述光陰極鈣鈦礦吸光層的材料化學(xué)式為abx3，其中a離子包括無機(jī)一價離子和有機(jī)一價離子中的一種或多種，b離子包括堿土金屬離子和過渡金屬離子中的一種或多種組合，x離子包括鹵素離子或等擬鹵素離子中的一種或多種。

10、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述光陽極鈣鈦礦吸光層或所述光陰極鈣鈦礦吸光層的材料化學(xué)式為abx3，其中，a離子包括無機(jī)一價離子和有機(jī)一價離子中的一種或多種，b離子包括堿土金屬離子和過渡金屬離子中的一種或多種組合，x離子包括鹵素離子或等擬鹵素離子中的一種或多種。

11、更進(jìn)一步優(yōu)選的，所述光陽極隔水電極層和/或所述光陰極隔水電極層包括貴金屬、非貴金屬以及碳基材料中的一種或多種，所述光陽極隔水電極層和所述光陰極隔水電極層的厚度均為10nm～2000nm。

12、更進(jìn)一步優(yōu)選的，所述光陽極催化劑層35包括貴金屬催化劑、非貴金屬催化劑、碳基催化材料中的一種或多種，所述光陽極催化劑的厚度為10nm～2000nm。

13、更進(jìn)一步優(yōu)選的，所述光陰極催化劑層包括貴金屬催化劑、過渡金屬硫化物、過渡金屬磷化物、過渡金屬氮化物中的一種或多種，所述光陰極催化劑的厚度為10nm～2000nm。

14、更進(jìn)一步優(yōu)選的，所述封裝部由惰性隔水封裝材料構(gòu)成，所述惰性隔水封裝材料包括乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚烯烴、聚對苯二甲酸二甲酯、聚甲基苯烯酸甲酯、聚異丁烯、聚酰亞胺、環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂等中的一種或多種。

15、更進(jìn)一步優(yōu)選的，所述透明導(dǎo)電基底為柔性導(dǎo)電基底，所述可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件的整體密度低于水。

16、本發(fā)明提供的一種可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：

17、(1)通過將光陰極和光陽極設(shè)置于同一個透明導(dǎo)電基底，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)連接，獲得足以實(shí)現(xiàn)裂解水制氫的電壓，無需外置偏壓輔助。同時通過擺脫現(xiàn)有技術(shù)對導(dǎo)線等連接部件的依賴，提高集成度，以實(shí)現(xiàn)無導(dǎo)線器件的設(shè)計。設(shè)置封裝部實(shí)現(xiàn)封邊，可防止水分進(jìn)入器件導(dǎo)致鈣鈦礦材料分解。

18、(2)透明導(dǎo)電基底選用柔性導(dǎo)電基底，其輕質(zhì)的特點(diǎn)可以使得器件漂浮于水面，透光面與水面永遠(yuǎn)保持平行，更有利于器件接收太陽光。

技術(shù)特征：

1.一種可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件，其特征在于，包括透明導(dǎo)電基底(1)、封裝部(2)、光陽極(3)以及光陰極(4)，其中，

2.如權(quán)利要求1所述的一種可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件，其特征在于，所述光陽極空穴傳輸層(33)和/或所述光陰極空穴傳輸層(41)的材料均包括無機(jī)傳輸材料、有機(jī)聚合空穴傳輸材料、有機(jī)小分子材料、單分子自組裝材料中的一種或多種，所述光陽極空穴傳輸層(33)和所述光陰極空穴傳輸層(41)的厚度均為1nm～300nm。

3.如權(quán)利要求1所述的一種可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件，其特征在于，所述光陽極電子傳輸層(31)和/或所述光陰極電子傳輸層(43)的材料均包括無機(jī)電子傳輸材料以及有機(jī)電子傳輸材料中的一種或多種，所述光陽極電子傳輸層(31)和所述光陰極電子傳輸層(43)的厚度均為1nm～300nm。

4.如權(quán)利要求1所述的一種可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件，其特征在于，所述光陽極(3)和光陰極(4)均包括鈍化層以及介電層，所述光陽極(3)和所述光陰極(4)的厚度均為1μm～50μm。

5.如權(quán)利要求1所述的一種可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件，其特征在于，所述光陽極鈣鈦礦吸光層(32)或所述光陰極鈣鈦礦吸光層(42)的材料化學(xué)式為abx3，其中，a離子包括無機(jī)一價離子和有機(jī)一價離子中的一種或多種，b離子包括堿土金屬離子和過渡金屬離子中的一種或多種組合，x離子包括鹵素離子或等擬鹵素離子中的一種或多種。

6.如權(quán)利要求1所述的一種可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件，其特征在于，所述光陽極隔水電極層(34)和/或所述光陰極隔水電極層(44)包括貴金屬、非貴金屬以及碳基材料中的一種或多種，所述光陽極隔水電極層(34)和所述光陰極隔水電極層(44)的厚度均為10nm～2000nm。

7.如權(quán)利要求1所述的一種可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件，其特征在于，所述光陽極催化劑層(35)包括貴金屬催化劑、非貴金屬催化劑、碳基催化材料中的一種或多種，所述光陽極催化劑的厚度為10nm～2000nm。

8.如權(quán)利要求1所述的一種可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件，其特征在于，所述光陰極催化劑層(45)包括貴金屬催化劑、過渡金屬硫化物、過渡金屬磷化物、過渡金屬氮化物中的一種或多種，所述光陰極催化劑的厚度為10nm～2000nm。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件，其特征在于，所述封裝部(2)由惰性隔水封裝材料構(gòu)成，所述惰性隔水封裝材料包括樹脂類有機(jī)材料或有機(jī)共聚物材料中的一種或多種。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件，其特征在于，所述透明導(dǎo)電基底(1)為柔性導(dǎo)電基底，所述可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件的整體密度低于純水。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種可漂浮無導(dǎo)線單極板鈣鈦礦光伏制氫一體化器件，包括透明導(dǎo)電基底、封裝部、光陽極以及光陰極。通過將光陰極和光陽極設(shè)置于同一個透明導(dǎo)電基底，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)連接，獲得足以實(shí)現(xiàn)裂解水制氫的電壓，無需外置偏壓輔助。同時通過擺脫現(xiàn)有技術(shù)對導(dǎo)線等連接部件的依賴，提高集成度，以實(shí)現(xiàn)無導(dǎo)線器件的設(shè)計。設(shè)置封裝部實(shí)現(xiàn)封邊，可防止水分進(jìn)入器件導(dǎo)致鈣鈦礦材料分解。透明導(dǎo)電基底選用柔性導(dǎo)電基底，其輕質(zhì)的特點(diǎn)可以使得器件漂浮于水面，透光面與水面永遠(yuǎn)保持平行，更有利于器件接收太陽光。

技術(shù)研發(fā)人員：卜童樂,施展,蔣瑞軒
受保護(hù)的技術(shù)使用者：武漢理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6