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利用改进型硅基多结太阳能电池结构进行光电化学水分解：太阳能电池与催化剂的开发、光伏-电化学联合器件的规模化及性能稳定性研究

DOI：10.1515/zpch-2019-1453 期刊：Zeitschrift für Physikalische Chemie 出版年份：2019 更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要： 基于薄膜硅的多结太阳能电池被开发用于水分解制氢的光伏-电化学耦合系统。从单结、双结、三结到四结结构，我们实现了0.5V至2.8V的开路电压范围，且光伏电池效率均超过13%。这些太阳能电池与0.5cm2至64cm2的集成电化学电池组合使用。针对析氧反应（OER）和析氢反应（HER）两侧的催化剂组合，我们研究了其电化学活性、稳定性、成本以及——对集成器件尤为重要的——HER侧金属催化剂作为光伏电池背反射器的光学性能。在不同工作温度和光照条件下测试了光伏-电化学系统的性能，以评估户外运行效果和年燃料产量。0.5cm2集成系统在标准测试条件下实现了最高9.5%的太阳能制氢效率（ηSTH）。对于放大至64cm2的器件，研究了多种接触互联方案以降低大尺寸太阳能电池的电流损耗和填充因子损失。采用电沉积法制备了储量丰富且廉价的NiMo（HER）和NiFeOx（OER）化合物，替代高性能贵金属催化剂对（Pt/RuO2或Pt/IrOx）。使用NiMo/NiFeOx催化剂对的64cm2太阳能电池获得了5.1%的ηSTH，优于Pt/IrO2系统（4.8%）。在模拟昼夜循环运行中，该催化剂对表现出数日的优异稳定性。通过串联连接模型对整个光伏-电化学器件进行模拟计算，可研究并预估更换催化剂、电解质或太阳能电池等单个组件时的性能变化?；谡庑┙峁颐翘教至舜竺婊晒夥?电化学器件在氢能及太阳能燃料生产领域的前景与挑战。
作者： Friedhelm Finger，Katharina Welter，Félix Urbain，Vladimir Smirnov，Bernhard Kaiser，Wolfram Jaegermann
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

太阳能电池与催化剂的研发、光伏-电化学联合器件的规?；τ茫约八纸庵魄獾男阅芪榷ㄐ匝芯?。

研究成果

成功研制出一种光伏-电化学耦合制氢系统，采用非晶硅/微晶硅（aSi/μcSi）型多结太阳能电池实现水分解制氢，在最大64平方厘米面积上验证了其可行性。实验数据显示：0.5平方厘米尺寸下最高效率达9.5%，64平方厘米尺寸下最高效率为5.1%。该研究为评估aSi/μcSi叠层电池（理论极限效率12%）以及基于c-Si太阳能电池的替代方案（理论极限效率16%）所能达到的最大效率提供了重要依据。

研究不足

光伏电池与电解质接触时的化学稳定性、催化剂及电解槽系统的化学稳定性、基于非晶硅氢（a-Si:H）的太阳能电池中的光致降解。

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