mини водородные топливные элементы на основе нано

MИНИ ВОДОРОДНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ
ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ НАНОПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
Таяр Джумшуд оглы ДЖАФАРОВ
Институт Физики
Национальная Академия Наук Азербайджана
В настоящее время потребность в чистых и возобновляемых
источниках энергии для быстро растущей портативной электроники
(мобильные электронные приборы, телекоммуникация, военное
оборудование и др.) привлекает внимание многих исследовательских
центров. Прямой метанольный топливный элемент (DFMC-direct
methanol fuel cell), основанный на протонопроводящей полимерной
мембране (PEM- proton exchange membrane), рассматривается как
перспективный тип топливного элемента малой мощности. Однако,
метанол горючий и токсичен, и использование метанола в топливных
элементах сопровождается загрязнением атмосферы диоксидом
углерода (CO2). Кроме того, полимерная мембрана не интегрируется в
микроэлектронную технологию. В этой связи необходимо развивать
твердотельную мембрану с протонной проводимостью, сравнимую с
проводимостью полимерной мембраны (Nafion ®) и технологией
топливного элемента, совместимого со стандартной технологией
микроэлектроники. Нано (микро)-пористый кремний с "губчатой"
структурой и очень большим соотношением площади поверхности пор
к объему образца (около 103 м2/см3) очень подходит для изготовления
водородных элементов и газовых сенсоров.
Здесь рассмотрен новый тип водородного топливного
элемента малой мощности, основанный на
{метал/пористый кремний} структуре, работающего при
комнатной температуре и использующего водорoдсодержащие газы или жидкости. Такая структура может
быть использована также в качестве сенсора различных
водород-содержащих газов, работающего без внешнего
источника энергии. Предварительно приведен краткий
обзор данных по изготовлению, структуре и свойствам
пористого кремния.
1. Properties of Porous Silicon
Fig. 1. World market of different semiconductor
materials (2007).
Fig. 2. Photoluminescence spectra of the monocrystalline Si and
porous silicon film-PS (300K).
[T.D. Dzhafarov, B. Can, J. Material Science Letters 19 (2000) 287]
Formation of the porous silicon
Electrochemical etching of Si in HF:ethanol or HF:H2O solution
results in the formation of nano(micro)-crystalline Si (Fig. 3).
Fig. 3. Cross-sectional view of lateral anodization cell.
Fig. 4. Scanning electron microscopy of porous silicon layer
(a is top and b is the cross-section).
[T.D. Dzhafarov, S. Aydin Yuksel, C. Oruc Lus, Japan J. Appl.
Phys. 47 (2008) 8204]
Fig. 5. FTIR spectrum of porous silicon film (300 K).
[T.D. Dzhafarov, B. Can, J. Material Science Letters 19 (2006) 287]
2
Eg (eV)
1.8
1.6
1.4
1.2
20
40
60
80
100
Gözeneklilik
Porosity (%)
Fig. 6. Energy band gap in depending on porosity of PS film
(40% RH, 300 K).
[T.D. Dzhafarov, S. Aydin, C. Oruc Lus, Fizika (2007) 17]
These features of porous silicon
(a quantum system, a sponge
structure and an extremely large
pore surfaces) ensure many
possible applications, such as
light emitting diode, hydrogen
fuel cell, sensor and other
applications.
2. Porous Silicon based Hydrogen
Fuel Cells
Fig. 7. Proton Exchange Membrane (PEM- type
hydrogen fuel cell)
(b) Metal/Porous Silicon/Siliconbased Hydrogen Fuel Cells
Cell fabrication
Fig. 8. Schematic sketch of Metal/PS/Si structure.
Fig. 9. Reverse I-V characteristics of Au/PS/Si structure in humid
ambient: (1) 45, (2) 70, (3) 83, (4) 90 and (99) %RH.
[T.D. Dzhafarov, C. Oruc, S. Aydin, J. Phys. D: Appl. Phys. 37 (2004) 404]
The humidity (Hydrogen)-voltaic effect i.e. generation of a voltage between
two contacts to Au film and PS layer (or Si) under humidity (hydrogencontaining gas) exposition is observed for Au/PS structures.
500
I
400
V0C (mV)
I
I
300
II
200
I
100
0
I
50
I
I
I
I
60
70
80
90
100
Relative Humidity (%)
Fig. 10. The open-circuit voltage – RH dependence for Au/PS/Si
structure (300 K).
[T. D. Dzhafarov, B. Can Omur, Z. A. Allahverdiev,
Surface Science, 482-485 (2001) 1141]
Voc(mV)
600
500
400
300
200
100
0
0
50
100
150
H2 S Concentration (ppm)
Fig. 11. Voltage generated by Au/PS/Si cell as a function of the
H2S gas concentration.
[T.D. Dzhafarov, S. Aydin Yuksel, C. Oruc Lus,
Japan J. Appl. Phys. 47(2008) 8204]
Voc(mV)
400
air
H2S
H 2S
air
air
H2S
air
H2S
350
300
250
200
150
100
50
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
t (min)
Fig. 12. Voltage response of the Au/PS/Si sensor exposed to
H2S gas (45 ppm).
[T.D. Dzhafarov, S. Aydin Yuksel, C. Oruc Lus, Japan J. Appl.
Phys. 47(2008) 8204]
600
V (mV)
400
200
0
0
20
40
N (mg/ml)
60
80
Fig. 13. The voltage generation in Au/PS/Si cell as a function of
NaBH4 contains in NaBH4:H2O.
[T.D. Dzhafarov, C. Oruc Lus, S. Aydin, Ninth Grove
Fuel Cell Symposium, 4-6 October 2005, London, UK]
Fig. 14. The voltage generation in Au/PS/Si cell as a function of H2S
concentration in distilled water.
[T.D. Dzhafarov, S. Aydin, EMRS 2008 Spring Meeting, Symposium
K- Advanced Silicon Materials Research for Electronic and
Photovoltaic Applications, May 26-28, 2008, Strasbourg, France]
Fig. 15. (1) The power density-current density characteristics of
Au/PS/Si cell in H2S+ H2O solution of (1)12 mM, (2) 23 mM, (3)
50 mM and (4) 80 mM (300K).
[T.D.Dzhafarov, S. Aydin Yuksel, J. Nanoscience and
Nanotechnology, (2010), accepted]