Изобретение относится к попупровод- . никовым анодам устройств для фотоэлектрохимического получения водорода и кислорода в фотоэлектролизных ячейках, применяемых в гелиотехнике и являющихся экологически чистым и возобновляемым источником энергии, так как продуктом сгорания водорода и кислорода является вода. С такой ячейкой может быть сочленен топливный элемент для получения электрической энергии. Аноды известных устройств для преобразования солнечной энергии в химическую в виде свободного водорода и кислорода при фотоэлектролизе воды представляют собой пластины из монокристаллического, поликристаллического или аморфного полупроводника, имеющего в большом количестве собственные дефекты (обуславливающие низкую подвижность носителей зарядов), и случайный поверхностно-барьерный потенциал. Известен анод для фотоэлектролиза воды из. монокристалла рутила,легирован ного алюминием. Легирование производят для повьвиения подвижности носителей. Полученные аноды дорогостоящие для преобразования солнечной энергии из-за использования монокристаллов. Достигнутый КПД преобразования солнечной энергии составляет 1,3% при приложении смещения от внешнего источника электрической энергии, который усложняет условия эксплуатации 11 . Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлаггнемому является анод из поликристаллического рутила, легированного бором. Этот полупроводник обеспечивает КПД преобразования солнечной энергии 1,1% 2 . Недостаток известного анода состоит в низком КПД преобразования солнечной энергии, или низком выходе по току. Цель изобретения - повышение выхода по току, что приводит к повышению КПД преобразования солнечной янергии. Поставленная цель достигается тем, что анод из поликристаллического рутила легирован рением ( Re) в количестве О,3-О,5 мол.% Количество легирующего элемента мёнее О,3 мол.% приводит к улучшению характеристик анода, а количество более 0,5 мол.% нецелесообразно, так как не приводит к дальнейшему улучшению харак теристик анода. Легирование рутила осуществляют через твердофазную реакцию. Порошкообразный рутил (марки ОСЧ) и порошкообразный рений (марки ОСЧ) перемешивают и прессуют в брикеты, которые затем отжигают в вакууме (в запаяных кварцевых ампулах) при нарастающей температуре DT 2О до Б течение не менее 1О ч. Полученньй легированный рутил подвергают горячему прессованию в таблетки при 1400-1500°С до плотности 4 г/см. Далее образцы отжигают на воздухе при 8ОО°С в течении 2 ч для снятия механических напряжений и умень шения числа кислородных вакансий. Легирование рутила электроактиеной добавкой мелкой донорной примесью - создает в нем проводимость электронного типа. При этом обеспечиваются удельная электропроводность подвижность носителей заряда 10 см /Вс. Для изготовления анода для фотоэлектролиза воды полученную таблетку шлифу ют с двух сторон абразивом зернистость 14 мкм и создают с одной стороны омический контакт, например, путем вакуумного осаждения индия или меди. Далее к омичёскоцу контакту припаивают вывод и покрывают электроизолирующим слоем, наприм ер эпоксидньгм компаундом. Полученный анод помещают в фотоэлек тролизную ячейку, которая со ;тоит, например, из двух отсеков, разделенных ионообменной мембраной. Анодный отсек имеет кварцевое окно для освещения рабочей поверхности полупроводникового анода. В другом отсеке размещен катод, выполненный, например, в виде пластины ИЗ никеля или пластины или полупроводника с дырочной проводимостью. Анодный отсек заполнен щелочно-водным электролитом (1 н, NaOH ), а катодный - кислотно-водным элекг ролитом (1 н, H.SO.), анод и катод замкнуты накоротко. При облучении анода световым потоком в полупроводнике создаются неравновесные электроны и дырки. Изгиб энергетических зон у поверхности полупроводника, граничащий с щелочно-водным электролитом, обеспечивает пространственное разделение неравновесных носителей - дырки проходят к границе раздела анода с водным электролитом, а электроны переходят через внешнюю цепь на катод, У поверхности катода осуществляется восстановление ионов водорода. Газо- образнБй водород выходит из катодного отсека, где собирается обычными методами, У поверхности полупроводникового анода образуется газообразный кислород, который также собирается. Таким образом осуществляется эффективное аккумулирование солнечной энергии. Количество вьщеленного водорода согласно закону Фарадея прямо пропорционально величине тока короткого замыкания фотолизной лчейки. Повышение выхода по току короткого замьпсания связано с увеличением подвижности носителей заряда вследствие легирования рением, что способствует увеличению диффузионной и дрейфовой длин неосновных носителей заряда, вследствие чего основная часть фотогенерированных дырок успевает достичь границы раздела полупроводник - электролит прежде, чем осуществится их рекомбинация. Квантовый выход фототока достигает 90% при длине волны 0,36 /.км. Для получения требуемого после легирования содержания рения в рутиле необходимо смесь порощков готовить с избытком рения. Это объясняется тем, что при отжиге часть рения испаряется. Процентное содержание рения после отжига определяют химическим анализом. Примеры осуществления приведены в таблице.
Содержание рения, в легированном рутиле после отжига, мол. %
КПД преобразования, %
Плотность тока короткого замыкания, МА/см Полученные образцы поликристалличес кого ТЮ, легированные рением, имеют черный цвет и, как показывают результаты рентгенофазового анализа, имеют кристаллическую структуру рутила. Максимальное значение КПД преобра зования солнечной энергии- составляет 1,35%, что выше значений КПД для известных анодов фотоэлектролизных 5гчеек и соответствует плотности тока короткого замыкания 0,92 МА/см . Предлагаемым анодом можно эффективно преобразовывать солнечную энергию в высокогорных и космических условиях. Формула изобретения Анод для фотоэлектролиза воды, содержащий поликристаллический рутил и
0,5
0,4 1,2 1,35,
0,82
0,92 легируюц гю добавку, отличающийся тем, что, с целью повышений выхода по току, в качестве легирующей добавки он содержит рений при следующих-соотношениях компонентов, мол.%: Поликристаллический рутил99,5-99,7 Рений0,3-0,5 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе Л. Ghozh A.K.,Moitus1coi Н.Р. ,phoioeEectroEvjtis о€ -xn/dter in Luirttiogtit with semiconductor EEeci rool.S. - O.EEectroch. Soc. 1977, 124, № ID, p. 1516-1522. l.Honettion Л.Р., Hdmilton J.R., MoKScJcs: improved Sofar efficiencies lor Doped tdPeifte TiO Ptiodocjinooler. Hater. Res. BoBP, V.(1979), 14, № 7. p. 915-920 (про.. тотип).
