光半导体电极以及使用具备光半导体电极的光电化学单元对水进行光分解的方法技术

本发明专利技术为了提高氢的产生效率而提供一种具有高量子效率的光半导体电极、以及使用具备该光半导体电极的光电化学单元来对水进行光分解的方法。本发明专利技术的光半导体电极(200)，具备：导电基板(102)；第一半导体光催化剂层(202)，其形成在导电基板(102)的表面上；以及第二半导体光催化剂层(203)，其设置在第一半导体层的表面上，光半导体电极(200)在表面具有多个柱状突起，并且各柱状突起的表面由第二半导体光催化剂层(203)形成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光半导体电极以及使用具备光半导体电极的光电化学单元 对水进行光分解的方法
本专利技术涉及光半导体电极、以及使用具备光半导体电极的光电化学单元对水进行 光分解的方法。
技术介绍
为了可持续发展的社会而解决日益恶化的环境问题以及能源问题，需要真正地将 可再生能源实用化。当前，将太阳能电池所产生的电力储存到蓄电池中的系统正在普及。但 是，由于其重量而使蓄电池移动并不容易。因此，对于将来而言，利用氢作为能源介质备受 期待。作为能源介质的氢的优点如下所述。首先，氢容易储存。使含有氢的储气瓶移动也 很容易。而且，使氢燃烧后所产生的最终生成物是水，它无害、安全并且干净。而且，将氢提 供给燃料电池而变换成电以及热。最后，氢能够通过水分解而被无穷尽地形成。 因此，利用光催化剂以及太阳光来对水进行光学分解而产生氢的技术，由于能够 将太阳光变换成容易利用的能源介质而受到注目。以改善氢的产生效率为目标，研究以及 开发正被推进。 专利文献1公开了一种与该技术相关联的光电化学单元。具体来说，如图1所示， 专利文献1所公开的光电化学单元100具备：半导体电极120,其包含导电体121、具有纳 米管阵列结构的第一 η型半导体层122以及第二η型半导体层123 ;反电极130,其与导电 体121连接；电解液140,其与第二η型半导体层123以及反电极130接触；和容器110,其 容纳半导体电极120、反电极130以及电解液140。以真空能级为基准，（I)第二η型半导 体层123的导带以及价带的导带底能级分别大于第一 η型半导体层122的导带以及价带的 导带底能级，（II)第一 η型半导体层122的费米能级大于第二η型半导体层123的费米能 级，并且（III)导电体121的费米能级大于第一 η型半导体层122的费米能级。 现有技术文献 专利文献 专利文献1 :国际公开第2011/058723号 专利文献2 JP特开2006-297300号公报 专利文献3 :国际公开第2013/084447号 非专利文献 非专利文献 I :Smestad、G. Ρ.、Krebs、F. C.、Lampert、C. Μ.、Granqvist、C. G.、 Chopra、K. L.、Mathew、Χ·、&Takakura、H. Reporting solar cell efficiencies in Solar Energy Materials and Solar Cells Solar Energy Materials&Solar Cells、Vol. 92、 (2008)371-373。
技术实现思路
专利技术要解决的课题【0001】 为了提高氢的产生效率，需要进一步提高半导体电极的量子效率。 本专利技术的目的在于，为了提高氢的产生效率，提供一种具有高量子效率的光半导 体电极、以及使用具备该光半导体电极的光电化学单元来对水进行光分解的方法。 用于解决课题的手段 本专利技术提供一种光半导体电极，具备： 导电基板； 第一半导体光催化剂层，其形成在所述导电基板的表面上；以及 第二半导体光催化剂层，其设置在所述第一半导体层的表面上， 其中，所述导电基板的费米能级与真空能级之间的能量差，小于所述第一半导体 光催化剂层的费米能级与真空能级之间的能量差， 所述第一半导体光催化剂层的费米能级与真空能级之间的能量差，小于所述第二 半导体光催化剂层的费米能级与真空能级之间的能量差， 所述第一半导体光催化剂层的价带的上端与真空能级之间的能量差，大于所述第 二半导体光催化剂层的价带的上端与真空能级之间的能量差， 所述第一半导体光催化剂层的导带的下端与真空能级之间的能量差，大于真空能 级与所述第二半导体光催化剂层的导带的下端之间的能量差， 所述光半导体电极在表面具有多个柱状突起，并且 各柱状突起的表面由所述第二半导体光催化剂层形成。 专利技术效果【0002】 本专利技术为了提高氢的产生效率，提供一种具有高量子效率的光半导体电极、以及 使用具备该光半导体电极的光电化学单元来对水进行光分解的方法。 【附图说明】 图1表示专利文献1中所公开的光电化学单元。 图2表示使用了包含在稀硫酸水溶液中的平滑的2个钼电极的水分解的稳态极化 曲线的测定结果。 图3表示用于光半导体电极的半导体光催化剂所具有的能带结构。 图4A表不在第一半导体光催化剂层202由η型半导体构成的情况下，导电基板 102以及第一半导体光催化剂层202形成接合前的能带结构。 图4Β表不在第一半导体光催化剂层202由η型半导体构成的情况下，导电基板 102以及第一半导体光催化剂层202形成接合后的能带结构。 图5Α表不在第一半导体光催化剂层202由ρ型半导体构成的情况下，导电基板 102以及第一半导体光催化剂层202形成接合前的能带结构。 图5Β表不在第一半导体光催化剂层202由ρ型半导体构成的情况下，导电基板 102以及第一半导体光催化剂层202形成接合后的能带结构。 图6表不实施方式1的光半导体电极200。 图7Α表示在第一半导体光催化剂层202以及第二半导体光催化剂层203这两者 由η型半导体构成的情况下，导电基板102、第一半导体光催化剂层202以及第二半导体光 催化剂层203形成接合前的能带结构。 图7B表示在第一半导体光催化剂层202以及第二半导体光催化剂层203这两者 由η型半导体构成的情况下，导电基板102、第一半导体光催化剂层202以及第二半导体光 催化剂层203形成接合后的能带结构。 图8Α表示在第一半导体光催化剂层202以及第二半导体光催化剂层203这两者 由P型半导体构成的情况下，导电基板102、第一半导体光催化剂层202以及第二半导体光 催化剂层203形成接合前的能带结构。 图8Β表示在第一半导体光催化剂层202以及第二半导体光催化剂层203这两者 由P型半导体构成的情况下，导电基板102、第一半导体光催化剂层202以及第二半导体光 催化剂层203形成接合后的能带结构。 图9表不实施方式2的光电化学单兀。 图10表示实施方式2的光电化学单元的使用方法。 图11是表示参考例1中计算出的外部量子效率以及内部量子效率的结果的曲线 图。 图12Α是参考例2中进行了图案形成的复制膜的表面的SEM像（5000倍）。 图12Β是参考例2中进行了图案形成的复制膜的表面的SEM像（50000倍）。 图13表示在参考例2中由TiO2构成的薄膜的厚度与成膜时间之间的关系。 图14是在参考例2中所得到的电极的表面的SEM像。 图15表示参考例2中的光电流测定的结果。 图16表示参考例3中的光电流测定的结果。 图17表示在光半导体电极的表面形成的多个柱状突起的示例。 图18表示理想的柱状突起。 图19表示具备光散射粒子的柱状突起。 图20是表示参考例1中的TiO2膜的透过率Τ、反射率R以及吸收率A的曲线图。 图21表示实施例1中使用的Si柱状突起基板的俯视图。 图22是实施例1中使用的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光半导体电极，具备：导电基板；第一半导体光催化剂层，其形成在所述导电基板的表面上；以及第二半导体光催化剂层，其设置在所述第一半导体层的表面上，其中，所述导电基板的费米能级与真空能级之间的能量差，小于所述第一半导体光催化剂层的费米能级与真空能级之间的能量差，所述第一半导体光催化剂层的费米能级与真空能级之间的能量差，小于所述第二半导体光催化剂层的费米能级与真空能级之间的能量差，所述第一半导体光催化剂层的价带的上端与真空能级之间的能量差，大于所述第二半导体光催化剂层的价带的上端与真空能级之间的能量差，所述第一半导体光催化剂层的导带的下端与真空能级之间的能量差，大于真空能级与所述第二半导体光催化剂层的导带的下端之间的能量差，所述光半导体电极在表面具有多个柱状突起，并且各柱状突起的表面由所述第二半导体光催化剂层形成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.04.26 JP 2013-0935281. 一种光半导体电极，具备： 导电基板； 第一半导体光催化剂层，其形成在所述导电基板的表面上；以及 第二半导体光催化剂层，其设置在所述第一半导体层的表面上， 其中，所述导电基板的费米能级与真空能级之间的能量差，小于所述第一半导体光催 化剂层的费米能级与真空能级之间的能量差， 所述第一半导体光催化剂层的费米能级与真空能级之间的能量差，小于所述第二半导 体光催化剂层的费米能级与真空能级之间的能量差， 所述第一半导体光催化剂层的价带的上端与真空能级之间的能量差，大于所述第二半 导体光催化剂层的价带的上端与真空能级之间的能量差， 所述第一半导体光催化剂层的导带的下端与真空能级之间的能量差，大于真空能级与 所述第二半导体光催化剂层的导带的下端之间的能量差， 所述光半导体电极在表面具有多个柱状突起，并且 各柱状突起的表面由所述第二半导体光催化剂层形成。2. 根据权利要求1所述的光半导体电极， 在各柱状突起的内部，包含所述第一半导体光催化剂层的一部分以及所述导电基板的 一部分， 包含在各柱状突起的内部的所述导电基板的一部分为柱状， 包含在各柱状突起的内部的所述导电基板的一部分，被包含在各柱状突起的内部的所 述第一半导体光催化剂层覆盖，并且 包含在各柱状突起的内部的所述第一半导体光催化剂层的一部分，被形成在各柱状突 起的表面的所述第二半导体光催化剂层覆盖。3. 根据权利要求2所述的光半导体电极， 所述第一半导体光催化剂层具有10纳米以上且100纳米以下的厚度。4. 根据权利要求1所述的光半导体电极， 所述第一半导体光催化剂层由从包括氧化物、氮化物以及氮氧化物的组中选择的至少 1种化合物形成，并且 所述至少1种化合物包含从包括Ti、Nb以及Ta的组中选择的至少1种元素。5. 根据权利要求1所述的光半导体电极， 所述第二半导体光催化剂层由从包括氧化物、氮化物以及氮氧化物的组中选择的至少 1种化合物形成，并且 所述化合物包含从包括Ti、Nb以及Ta的组中选择的至少1种元素。6. 根据权利要求1所述的光半导体电极， 所述导电基板由多个金属层构成。7. 根据权利要求1所述的光半导体电极， 所述柱状突起的前端是尖的。8. -种对水进行光分解的方法，包括工序（a)和工序（b)， 在所述工序（a)中，准备光电化学单元，所述光电化学单元具备： 权利要求1所述的光半导体电极； 反电极，其与所述导电体电连接； 液体，其与所述光半导体电极的表面以及所述反电极的表面接触；以及 容器，其容纳所述光半导体电极、所述反电极、以及所述液体， 其中，所述液体为电解质水溶液或水， 在所述工序（b)中，对所述光半导体电极照射光。9. 根据权利要求8所述的方法， 在所述工序（b)中，从相对于柱状突起倾斜的方向对所述光半导体电极照射光。10. 根据权利要求8所述的方法， 在各柱状突起的内部，包含所述第一半导体光催化剂层的一部分以及所述导电基板的 一部分， 包含在各柱状突起的内部的所述导电基板的一部分为柱状， 包含在各柱状突起的内部的所...

【专利技术属性】
技术研发人员：田村聪，羽藤一仁，德弘宪一，藏渊孝浩，水畑穰，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP