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光电化学电池的优势
光电化学电池制氢拥有如下的优势:1、相对于一般的电解系统,光电化学电池不使用或者少使用昂贵的金属催化材料(如铂金),此外,电池主要运用的是半导体材料制造的薄膜作为电极,例如氧化铁18、二氧化钛13、氧化钨等19,原料成本低。2、如图五a所示,叠层光电化学电池(双光电极)的太阳能-氢气转化效率可达22%9,相对于单光电极的光电化学系统11%的效率和光伏-电解水系统12%的效率,具有明显的优势。3、光电化学制氢可以有效的解决太阳能的储能难题,由于是直接转换太阳能为化学能,实现了水→氢气→水的全能源生命周期温室气体零排放。4、根据输入原料的不同,光电解太阳能电池不但可以将水分解为氢气和氧气,还可以生产别的产品。例如在通入二氧化碳气体的时候,合适的光电化学电池可以在太阳光照射下将二氧化碳和水转化为甲烷气体;通入氮气时,光电化学电池系统可以生产氨气。
图五 (a)叠层光电解电池理论效率等值图(2种半导体材料) (b)单级半导体和双层半导体对太阳光谱的吸收对比。9
光电化学电池的技术障碍
这个技术还需要克服以下几个技术难点才能应用在工业化上:1、抗腐蚀性,由于光电化学电池是在水溶液环境中工作,一部分被研究的半导体材料虽然有着较高的转换效率,但是电池寿命有限。目前科学家采取了如使用新材料、新电极表面涂层、选择性化学电位偏压等方法试图延长电池寿命,虽然获得了一定的成功,但相对于硅太阳能电池25年的寿命仍有一定差距。2、叠层光电化学电池在实际应用中,需要协调不同半导体材料的光学和导电特性,这些特性会影响叠层光电化学电池的最终产生的光电流大小,而光电流的大小决定了氢气产生的速度快慢和产量。3、因为光电解电池的能量来源是太阳能,太阳能能量密度较低的特性决定了光电解电池也需要一定的空间排布,这也导致了在收集被电解生成的氢气和氧气时会产生气体收集的问题,不如一般的电解系统便利。有的科学家设计了封闭式的光电解电池的系统以解决氢气收集问题,但是这无疑增加了光电解系统(BOS)的成本。
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