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CN102666931B - 光电极材料及光电池材料 - Google Patents

光电极材料及光电池材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供将低成本且对环境无负担并且稳定的以氧化硅作为成分的物质予以简便处理而得的光电转换材料，及利用其的光电池、次级光电池。将为含有氧化硅的组合物的人工水晶、熔融石英玻璃、钠钙玻璃、无碱玻璃、硼硅酸盐玻璃予以粉碎，并以氢卤酸水溶液浸渍处理，进行水洗·干燥。将此材料以电极板载持并放至已加入适当电解质的水中，与对向电极之间进行电性连接，经由照射光而作为光电极使用。此外，将此材料与有机电解质同时封入具有透明电极与对向电极的容器中，并经由透明电极照射光，从而构成光电池。

Description

光电极材料及光电池材料
技术领域
本发明涉及光电极材料。
背景技术
通常，为了使必须给予非常高能量才能进行的反应使用经由光产生电子激发状态的催化剂以极低的能量进行，而使用光催化剂。
作为光催化剂，已知有氧化钛、氧化锌、硫化镉、氧化钨等的所谓的半导体催化剂，或如联吡啶钌络合物那样的金属络合物催化剂。
其中以氧化钛(TiO2)的稳定性最高，且几乎未显示生物毒性，故被实用作为分解除去大气中的氮氧化物及有机物质的光催化剂，但可利用的光仅为波长380nm以下的紫外线，此波长区域的紫外线于太阳光中不过4％，故最丰富光源的太阳光的利用效率最大也仅止于4％，实际上充其量仅为1％。
氧化钛的光催化反应的典型例有O2的还原(H2O2的生成)、H2O的氧化(O2的产生)、甲基紫罗碱(methylbiologen)的还原、N2的还原、废水处理、光催化的kolbe反应(CH3COOH→CH4(气体)+CO2)等。
关于氧化钛，除了光催化能力以外，有以本多·藤嶋效果形式已知的进行水分解的光电极能力以及使用于太阳能电池的光伏能力。
于日本专利特开2004-290748号公报(日本特许4214221号)及日本专利特开2004-290747号公报(日本特许4247780号公报)中，公开以氢卤酸处理的熔融石英作为与氧化钛具有同样光催化能力的材料。
于国际公开公报WO2005/089941号中，公开以氢氟酸处理的人工水晶作为具有光催化能力的材料。
该光催化剂在比日本专利特开2004-290748号公报及日本专利特开2004-290747号公报所示的以熔融石英作为原材料的光催化剂更加广的200～800nm波长区域中，作为光催化剂而发挥机能。
关于以氢氟酸处理的人工水晶，如国际公开公报WO2005/089941号的段落[0021]～[0023]中如下所述。
如此，通过氟化氢处理将人工水晶活化，若SiO2与HF接触，则表面的Si与F键合，由此，键合电子被拉引至F侧，反向键(バックボンド)键合变弱，结果被分离的H+F-分子所攻击，反向键被切断，最表面Si被氟化的同时，正下层的一个键被氢化。
此种状态相继传播，最后使最表面Si以SiF4形式分离，于表面残留SiH3自由基。
但是，此SiH3自由基与下层Si之间的Si-Si键非常弱，更因键合电子被微弱拉引至H侧而容易被切断，被HF分子的H轻易取代，成为SiH形式，使得H在Si(111)表面露出，并且变成活化状态。
如此，将氟化氢处理的人工水晶从液中分离，并以蒸馏水洗净2～5次后，风干，则得到光催化剂。
尽管在此种人工水晶的情况下经由氟化氢而活化，但在相同结晶性二氧化硅构成的天然水晶的情况下，不被氟化氢所活化。关于其理由仍未被阐明。
于国际公开公报WO2006/095916号中，示出氧化锌、二氧化锡、氧化钨、碳化硅作为紫外区域中的二氧化钛以外的光半导体电极材料。
再者，示出硅、砷化镓、钛酸锶、硒化镉、磷化镓作为可见光区域中的光半导体电极材料。
背景技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2004-290748号公报
专利文献2：日本专利特开2004-290747号公报
专利文献3：国际公开公报WO2005/089941号
专利文献4：国际公开公报WO2006/095916号
发明内容
发明所欲解决的问题
使用氧化钛的光电极及太阳能电池，因为仅可利用太阳光中仅含4％的波长为380nm以下的紫外线，故效率低。
为了经由使用色素而将可利用的光范围扩展至比紫外线波长更长的可见光区域，使用钌络合物色素的色素增感型太阳能电池已知有格雷兹艾罗电池(グレッツェル電池)。格雷兹艾罗电池的利用效率理论上为30％，实际上最大为10％。
此钌络合物色素材料不仅昂贵，且经由长期使用会使色素分解，故寿命有限。
虽然亦可使用其它色素、特别是各种的有机色素，但因为是有机色素，故寿命依然有限。
本申请涉及的发明回避使用氧化钛的光电极及太阳能电池所具有的问题，以提供不需要昂贵且寿命有问题的钌络合物色素材料的低价的光电极材料及太阳能电池材料为其课题。
解决问题的手段
本发明者等人发现，人工水晶及熔融石英有作为光电极材料的机能。
本发明者等人发现，以氢卤酸处理的人工水晶及熔融石英有作为光电极材料的机能。
再者，本发明者等人发现，以氢卤酸处理的人工水晶及熔融石英有作为光电池材料的机能。
此外，发现含有氧化硅(SiO2)的其它玻璃，亦即钠钙玻璃、无碱玻璃及硼硅酸盐玻璃，也同样具有作为光电极材料及光电池材料的机能。
在本申请涉及的发明中，将对氧化硅组合物以氢卤酸处理的材料，作为光电极材料或光电池材料使用。
使用的含有氧化硅的组合物为人工水晶。
使用的含有氧化硅的组合物为熔融石英玻璃。
使用的含有氧化硅的组合物为钠钙玻璃。
使用的含有氧化硅的组合物为无碱玻璃。
使用的含有氧化硅的组合物为硼硅酸盐玻璃。
在氢卤酸处理中使用的氢卤酸为氢氟酸。
在氢卤酸处理中使用的氢卤酸为氢氯酸。
材料的用途为光电极。
材料的用途为光电池。
附图说明
图1为使用本申请涉及的光电极材料的光水分解装置的原理构成说明图。
图2为使用本申请涉及的光电池材料的光电池装置的原理构成说明图。
图3为光电池装置的具体构成说明图。
具体实施方式
实施例所使用的材料组成及其处理如下。
(1)人工水晶：结晶SiO2
(2)熔融石英玻璃：非结晶SiO2
(3)钠钙玻璃：SiO2：71.9％，CaO：7.8％，Al2O3：1.7％，MgO：4.0％，Na2O：13.3％
(4)无碱玻璃：SiO2：55.0％，CaO：23.0％，Al2O3：14.2％，B2O3：6.2％
(5)硼硅酸盐玻璃：SiO2：33.0％，CaO：6.8％，Al2O3：1.3％，B2O3：37.4％，MgO：5.5％，Na2O：16.0％。
另外，含量未满1％的成分省略记载。
将这样的玻璃试样浸渍于氢氟酸水溶液，水洗后干燥、粉碎。
氢氟酸以外可使用氢氯酸作为氢卤酸，但优选氢氟酸。
再者，也可使用其它的氢卤酸。
另外，确认未进行氢卤酸处理的玻璃试样也有作为光电极材料的机能。
在室内的光源使用荧光灯，此时的照度为15,000～19,000勒克斯。
此外，在通过外来光的情况下，在阴天可取得6,000～7,000勒克斯，在通过直射日光的情况下，可取得50,000～100,000勒克斯左右的照度。
实施例1
首先，叙述关于光电极的实施例。
图1中说明利用经卤化处理的玻璃的光电极能力的装置。
在此图中，1为阳极、2为被负载于阳极1的光电极材料、3为阴极、4为混入适当电解质的水、5为连接阳极1与阴极3之间的负荷。
阳极1由Ni/NiO或贵金属构成，载持光电极材料2。大小为20mm×20mm。
将这样的玻璃试样在5％的氢氟酸水溶液中浸渍5分钟，水洗后干燥，粉碎成粒径为0.2mm以下。
阴极3例如使用铂或碳。
负荷5使用电阻器。
对光电极材料2照射200～800nm的光并使之吸收，则在光电极材料的内部引起电荷分离，若此状态具有一定程度的寿命，则电子与水反应，将水还原生成H2，且阳性孔将水氧化而生成O2。
产生该氢及氧的同时，电子从阴极3经由负荷5朝向阳极1流动，即电流从阳极1朝向阴极3流动。
电极1的面积为20×20mm2，对纯水10毫升溶解0.71克Na2SO4取得0.5摩尔/升的电解液，将以荧光灯照射15,000～19,000勒克斯光时流过的电流示于表1。
再者，由这些电流值计算求出的水被分解而产生的氢气量也一并示出。
由电流表示
[表1]
光电极材料 电流(μA) 氢气(μL)
人工水晶 0.2 0.84
熔融石英玻璃 0.1 0.42
钠钙玻璃 0.1 0.42
无碱玻璃 0.1 0.42
硼硅酸盐玻璃 0.1 0.42
实施例2
通过人工水晶电极流过0.1μA的电流，所述人工水晶电极处理中使用的氢卤酸为氢氯酸，且使用硫酸钠水溶液作为电解液。
以此电流电解所得的氢，根据计算为每小时0.42μL。
实施例3
其次，叙述关于光电池的实施例。
图2中示出本申请涉及的发明的光电池概念构成图。
在此图中，11为电极、13为对电极、12为电极11所负载的光电极、14为电解液、15为电极11与对电极13之间所连接的负荷。
电极11由Ni/NiO或贵金属构成，载持含有SiO2的光电极材料12。
光电极为使用将含有SiO2的玻璃等粒子在5％氢氟酸水溶液中浸渍5分钟，水洗后干燥，并且粉碎成粒径为0.2mm以下的。
对电极13例如使用铂或碳，负荷15使用电阻器。
对光电极12照射波长为200～800nm的光，并且使之被吸收，则在光电极12的内部起电，电子从电极11经由负荷15而朝向对电极13流动。换言之，电流从对电极13朝向电极11流动。
实施例4
其次，叙述关于光电池的具体构成。
图3中示出本申请涉及的发明的光电池概念构成图。
在此图中，21及23为由具有FTO(氟掺杂氧化锡)层22及FTO层24的玻璃构成的30mm×30mm玻璃基板，FTO层22及FTO层24具有作为引出电荷的电极的机能。
在光入射侧的FTO层形成氧化锌(ZnO)、氧化钛(TiO2)等的n型半导体层。
在与光入射侧FTO对向的FTO层24，形成20mm×20mm的铂膜26。
在n型半导体层25与铂膜26之间，以0.15～0.20mm的厚度封入含有SiO2的玻璃与混合有有机电解质的光电池材料27。
所使用的有机电解质为在乙腈溶剂中添加LiI0.1mol、I20.05mol、4-叔丁基吡啶0.5mol、碘化四丁基铵0.5mol的。
对这样制得的光电池的引出电极FTO层22及FTO层24安装引出线，并由引出电极22侧以荧光灯作为照射光源而照射照度15,000～19,000勒克斯的光，计测引出电极22与24间的开路电压及短路电流。
该结果所得的开路电压及短路电流示于表2。
[表2]
光伏材料 开路电压(mV) 短路电流(μA)
人工水晶 35 0.5
熔融石英玻璃 30 0.5
钠钙玻璃 15 0.3
无碱玻璃 30 0.4
硼硅酸盐玻璃 14 0.3
实施例5
另外，也以未经氢氟酸处理的氧化硅组合物得到表3所示的开路电压及短路电流。
[表3]
光伏材料 开路电压(mV) 短路电流(μA)
人工水晶 3 0.1
熔融石英玻璃 3 0.2
钠钙玻璃 5 0.1
无碱玻璃 5 0.1
硼硅酸盐玻璃 12 0.2
在以浓度0.1％的氢氟酸处理的玻璃纤维的情况下，检测到26mV的电压。
由这些结果可掌握到，SiO2具有作为光电池的机能，经由以氢氟酸处理，可使光伏电压显著变高。
此外，在硼硅酸盐玻璃的情况下，即使无氢氟酸处理，也检测到高至12mV的电压，认为这是由于硼酸(B2O3)的存在。
实施例6
处理中所使用的氢卤酸为氢氯酸，同样使用在乙腈溶剂中添加LiI0.1mol、I20.05mol、4-叔丁基吡啶0.5mol、碘化四丁基铵0.5mol的有机电解质时所得的开路电压为4mV，短路电流为0.1μA。
实施例7
关于人工水晶，以为不含紫外区域成分的光源的300W白炽灯泡，以大约相等于直射日光的照度测定短路电流，分别观测到400mV的开路电压及0.5μA的短路电流。
由此可总结，至少经由人工水晶，以长于紫外光波长的光，可造成光伏作用，该电动势并不起因于氧化钛。
因此，经由进一步添加现有作为太阳能电池而研究的氧化钛膜，则可期待更高的开路电压及更大的短路电流。
符号说明
1、11电极
2、12光电极材料
3、13对电极
4、14电解质
5、15负荷
21、23玻璃基板
22、24引出电极
25n型半导体层
26铂膜
27氧化硅

Claims (18)

1.一种光电极材料，其特征在于所述光电极材料由含有氧化硅的组合物构成，所述含有氧化硅的组合物为经氢卤酸处理的。
2.根据权利要求1所述的光电极材料，其特征在于，上述含有氧化硅的组合物为人工水晶。
3.根据权利要求1所述的光电极材料，其特征在于，上述含有氧化硅的组合物为熔融石英玻璃。
4.根据权利要求1所述的光电极材料，其特征在于，上述含有氧化硅的组合物为钠钙玻璃。
5.根据权利要求1所述的光电极材料，其特征在于，上述含有氧化硅的组合物为无碱玻璃。
6.根据权利要求1所述的光电极材料，其特征在于，上述含有氧化硅的组合物为硼硅酸盐玻璃。
7.根据权利要求1所述的光电极材料，其特征在于，上述含有氧化硅的组合物为玻璃纤维。
8.根据权利要求1所述的光电极材料，其特征在于，上述氢卤酸为氢氟酸。
9.根据权利要求1所述的光电极材料，其特征在于，上述氢卤酸为氢氯酸。
10.一种光电池材料，其特征在于所述光电池材料由含有氧化硅的组合物构成，所述含有氧化硅的组合物为经氢卤酸处理的。
11.根据权利要求10所述的光电池材料，其特征在于，上述含有氧化硅的组合物为人工水晶。
12.根据权利要求10所述的光电池材料，其特征在于，上述含有氧化硅的组合物为熔融石英玻璃。
13.根据权利要求10所述的光电池材料，其特征在于，上述含有氧化硅的组合物为钠钙玻璃。
14.根据权利要求10所述的光电池材料，其特征在于，上述含有氧化硅的组合物为无碱玻璃。
15.根据权利要求10所述的光电池材料，其特征在于，上述含有氧化硅的组合物为硼硅酸盐玻璃。
16.根据权利要求10所述的光电池材料，其特征在于，上述含有氧化硅的组合物为玻璃纤维。
17.根据权利要求10所述的光电池材料，其特征在于，上述氢卤酸为氢氟酸。
18.根据权利要求10所述的光电池材料，其特征在于，上述氢卤酸为氢氯酸。
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