Фотоэлектрохимическое устройство

:В ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ(71) Красноярское научно-исследовательское отделение по проблемам развития Канско-Ачинского угольногобассейна(54)(57) ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, включающее корпус, одинили два полупроводниковых фотоэлектрода на металлической подложке,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью повышения стабильности работы устройства путем устранениякоррозионного разрушения фотоэлектродов, один или два полупроводниковых фотоэлектрода являются стенкамикорпуса, металлическими подложками,обращенными внутрь корпуса.Изобретение относится к фото- электролизу и может быть использован для длительного получения водорода фотозлектрохимическим разложением воды под действием света, а также в фотогальванических батареях,Известна конструкция фотохимической ванны, содержащая два полупроводниковых фотоэпектрода и внешний источник напряжения, подключенный че рез металлические подложки и к фото- электродам.Свет через кварцевый экран и водный раствор попадал на полупроводниковые фотоэлектроды п,р-типй соответственно, Полупроводниковые фотозлектроды напылены на металлические подложки и отделены друг от друга диэлектрической прокладкой. Катодное и анодное пространства разделены ионообменной мембраной,При пропускании через ванну 0,2 о-ного раствора Н 2504 ипри освещении фотозлектродов на электроде генерируется кислород 02 , а на электроде - водород Н . Если метал 2лические подложки и размыкаются ( раздвигаются и к ним прикладывается внешняя разность потенциалов батареи, фототок и скорость выделения газов возрастают и при напряже. - нии около 0,5 В достигают насыщения. При этом скорость выделения газов в 2-3 раза больше, чем при Ч = О, Коэффициент полезного действия такой системы, определяемый по преобразованию световой энергии в водород, составляет 0,3 ъ, что соответствует обычному порядку коэффициента полезного действия фотохимических нанн 1 .Однако указанное устройство несвободно от основного недостаткафотоэлектрохимических ванн преобразования солнечной энергии в химическую, а именно коррозионная стабилизация фотоэлектродов находится впрямой зависимости от их состава исостава контактируемого раствора.Кроме того, наличие контакта междуполупроводником и раствором приводитк необходимости тщательной очисткипоследнего от всех посторонних примесей.Известно также фотоэлектрохимическое устройство включающее корпус, один или два полупроводниковыхфотоэлектрода на металлической подложке 2 .Недостатком известного устройстваявляется нестабильность его работы,так как происходит коррозионное разрушение фотоэлектродов,Цель изобретения - повышение стабильности работы устройства путемустранения коррозионного разрушенияфотоэлектродов. Эта цель достигается тем, что с фотоэлектрохимическое устройство,включающее корпус, один или дваполупроводниковых фотоэлектрода наметаллической подложке, причем один 5 или два полупроводниковых фотоэлектрода являются стенками корпуса, металлическими подложками, обращенными внутрь корпуса.На чертеже представлено фотоэлек трохимическое устройство.Устройство состоит из корпуса 1,в котором расположен фотоэлектрод 2на металлической подложке 3, которыйвмонтирован в стенку ванны. Второйэлектрод 4 связан через электролити мембрану 5 с электродом 2.Поток света падает непосредственно на полупроводник 2, находящийсяна металлической подложке 3, котораявмонтирована в стенку. Раствор граничит с металлической подложкой ивторым электродом 4, которые разделены ионообменной мембраной 5,Фотохимическая ванна по разложению воды работает следующим образом,Единичный фотон на полупроводнике при энергии ЬЧ)Е, где Ед -ширина запрещенной зоны, генерирует электрон-дырочную пару, Эта параразделяется электрическим полем таким образом, что дырка выходит наповерхность фотоанода, а электрончерез внешнюю цепь переходит на катод.Таким образом, полупроводник яв ляется генератором электрическихзарядой, которые обеспечивают вдальнейшем электролиз воды.В предлагаемой фотохимическойванне, когда полупроводник не граничит с раствором, при его освещении генерированные фотоэлектродымогут непосредственно попадать наметаллическую подложку 3, создаваяна ней избыточный отрицательный потенциал относительно анода, что обе.спечивает злектролиз раствора.Если в известном фотолиэе токсоздается только за счет зарядов,генерированных в полупроводниковом 50электроде при освещении, что заставляет, как правило, вводить в цепьдополнительный источник напряжения,то в предлагаемом способе такой необходимости нет, поскольку металлическая подложка 3 вместе с электро дом 4 образует гальванический элемент, который и является тем дополнительным источником напряжения,необходимым для эФфективного фотолиза. При этом меняется и ток фото лиза в большую или меньшую сторону,в зависимости от того, какой металлвыбран в качестве подложки. В связис этим следует отметить важностьвыбора материала для металлической 5 подложки, так как от этого зависитЗаказ 5948/28 Тираж 643 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 не только величина контактной разности потенциалов на границе полупроводник-металл, но и величина ЭДС гальванической пары электродов. Таким материалом для подложки могут служить металлы, применяемые для галь 5 ванических покрытий, например Си, А 2, Ы, Сгит,д.Фотолиз воды на Яе-А 2 электроде.В качестве полупроводникового Фотоэлектрода используют Яе-Аг. плас. 1 О тины от стандартного селенового выпрямителя, а также Бе-А 2 пластины СЭПдля фотоумножительной машиЭ ,В них на А 1 подложке 3 толщиной 15 1-2 мм напылен слой серого селена толщиной несколько десятков микрон.В качестве второго электрода взят графитовый стержень. Раствором является водопроводная вода, в которую для увеличения электропроводности добавляют поваренную соль или КСХ. Освещение селенового слоя 2 производят вольфрамовой лампой накаливания КГ 220-1000-3 мощностью 1 кВт. Расстояние от лампы до полупроводникового слоя составляет 7 см. Для устранения действия тепловых фотонов между лампой и полупроводниковым электродом помещают пластину плексигласа толщиной 2 мм. Темновой ток определяют как ток при обычном комнатном освещении. При включении лампы ток резко возрастает, что свидетельствует об увеличении скорости 35 электролиза раствора, Величину тока записывают на самописце КСП,В момент выключения ток падает, но уровня темнового тока достигает только через длительное время, что свидетельствует о сложности механизма процесса.В процессе длительной работы как за время одного цикла, так и при многократных периодических включениях источника света никаких замет.ных изменений полупроводникового слоя не обнаружено, При этом измеряемые результаты воспроизводят прак- тически полностью. Предлагаемая ванна обеспечивает длительную работу по лупроводника (Бе), нестабильного в водных растворах, и позволяет получать токи электролиза, превышающего на порядок обычные токи фотохимических ванн при Фоторазложении воды. Фотолиз ведется беэ дополнительной очистки раствора и дополнительного источника энергии, Следует отметить, что такая ванна является и генератором электрической энергии.Таким образов, основными теМико-экономическими преимуществами предлагаемого устройства по сравнению с известным являются устойчивая, стабильная работа полупроводниково" го фотоэлектрода в течение длительного времени вследствие отсутствия контакта полупроводника с раствором, отсутствие внешней разности потенциалов вследствие дополнительного гальванического эффекта анода и металлической подложки Фотоэлектрода, воэможность получения больших токов Фотолиза за счет дополнительного гальванического эффекта, возможность работы ванны в качестве фотогальванической батареи электрической энергии и отсутствие необходимости дополнительной очистки растворов вследствие отсутствия контакта полупроводника с раствором.