光半导体电极、光电化学电池、氢产生方法和能量系统技术方案

提供一种能够实现更高的长期稳定性的光半导体电极。本发明专利技术的光半导体电极(100)，包含：第1导电体层(101)；配置于第1导电体层(101)上、含有选自氮化物半导体和氮氧化物半导体中的至少任1种半导体的n型的第一n型半导体层(102)；以及，第2导电体层(103)，其为被覆第一n型半导体层(102)的表面的氧化物导电体，并且具有透光性。第1导电体层(101)、第一n型半导体层(102)和第2导电体层(103)，满足用于作为能够通过光照射而进行水分解的光半导体电极发挥作用的费米能级的适当的关系。

【技术实现步骤摘要】
光半导体电极、光电化学电池、氢产生方法和能量系统
本专利技术涉及光半导体电极、具备光半导体电极的光电化学电池、以及具备光电化学电池的能量系统。本专利技术也涉及使用光电化学电池的氢产生方法。
技术介绍
通过向作为光催化剂发挥作用的半导体材料照射光，水被分解为氢和氧。专利文献1公开了光电化学电池和使用它的能量系统。如图12所示，专利文献1所公开的光电化学电池900，具备：包含导电体921和第一n型半导体层922的半导体电极920；与导电体921电连接的对电极930；与第一n型半导体层922和对电极930的表面接触的电解质水溶液940；将半导体电极920、对电极930和电解质水溶液940收容的容器910，通过向第一n型半导体层922照射光而产生氢。半导体电极920，被设定为：以真空能级为基准，(I)第一n型半导体层922的表面附近区域中的传导带和价电子带的带边能级分别具有第一n型半导体层922的与导电体921的接合面附近区域中的传导带和价电子带的带边能级以上的大小，(II)第一n型半导体层922的接合面附近区域的费米能级比第一n型半导体层922的表面附近区域的费米能级大，并且，(III)导电体921的费米能级比第一n型半导体层922中的接合面附近区域的费米能级大。在先技术文献专利文献专利文献1：国际公开第2010/050226号
技术实现思路
本专利技术的目的是提供能够长期维持高的量子效率的光半导体电极、具备该光半导体电极的光电化学电池、和具备该光电化学电池的能量系统。本专利技术的目的是还提供使用该光半导体电极产生氢的方法。一种光半导体电极，具备：第1导电体层；配置于所述第1导电体层上的第一n型半导体层；和被覆所述第一n型半导体层的第2导电体层，其中，所述第一n型半导体层具有第一n型表面区域和第二n型表面区域，所述第一n型表面区域与所述第1导电体层接触，所述第二n型表面区域与所述第2导电体层接触，所述第一n型表面区域的传导带的带边能级EC2a为所述第二n型表面区域的传导带的带边能级EC2b以下，所述第一n型表面区域的价电子带的带边能级EV2a为所述第二n型表面区域的价电子带的带边能级EV2b以下，所述第二n型表面区域的费米能级EF2b为所述第一n型表面区域的费米能级EF2a以下，所述第一n型表面区域的费米能级EF2a比上述第1导电体层的费米能级EF1小，上述第2导电体层的费米能级EF3比上述第二n型表面区域的费米能级EF2b小，上述第一n型半导体层由选自氮化物半导体和氮氧化物半导体中的至少任1种形成，上述第2导电体层具有透光性，并且，上述第2导电体层由p型氧化物导电体形成。本专利技术提供能够长期维持高的量子效率的光半导体电极、具备该光半导体电极的光电化学电池、和具备该光电化学电池的能量系统。本专利技术也提供使用该光电化学电池生成氢的方法。附图说明图1表示第1实施方式的光半导体电极的截面图。图2A表示第1导电体层101、具有均匀的组成的第一n型半导体层102、和第2导电体层103形成接合之前的能带结构的示意图。图2B表示第1导电体层101、具有均匀的组成的第一n型导电体层102、和第2导电体层103形成接合之后的能带结构的示意图。图3A是在第2实施方式中，第1导电体层101、具有均匀的组成的第一p型半导体层152、和第2半导体层103形成接合之前的能带结构的示意图。图3B是在第2实施方式中，第1导电体层101、具有均匀的组成的第一p型半导体层152、和第2半导体层103形成接合之后的能带结构的示意图。图4A表示第1导电体层101、具有能带倾斜的第一n型半导体层102、和第2导电体层103形成接合之前的能带结构的示意图。图4B表示第1导电体层101、具有能带倾斜的第一n型半导体层102、和第2导电体层103形成接合之后的能带结构的示意图。图5A表示在第2实施方式中，在第一p型半导体层152具有能带倾斜的情况下形成接合之前的能带结构的示意图。图5B表示在第2实施方式中，在第一p型半导体层152具有能带倾斜的情况下形成接合之后的能带结构的示意图。图6表示第3实施方式的光半导体电极100的截面图。图7A表示在第3实施方式中，第1导电体层101、第一n型半导体层102、第二n型半导体层201、和第2导电体层103接合之前的能带结构的示意图。图7B表示在第3实施方式中，第1导电体层101、第一n型半导体层102、第二n型半导体层201、和第2导电体层103接合之后的能带结构的示意图。图8A表示在第4实施方式中，第1导电体层101、第一p型半导体层152、第二p型半导体层252、和第2导电体层103形成接合之前的能带结构的示意图。图8B表示在第4实施方式中，第1导电体层101、第一p型半导体层152、第二p型半导体层252、和第2导电体层103形成接合之后的能带结构的示意图。图9表示第5实施方式的光电化学电池300的截面图。图10表示图9所示的光电化学电池300的工作状态的截面图。图11表示第6实施方式的能量系统的概略图。图12表示在美国专利No.8236146中所公开的光电化学电池。附图标记说明100光半导体电极101第1导电体层102第一n型半导体层102a第一n型表面区域102b第二n型表面区域103第2导电体层152第一p型半导体层152a第一p型表面区域152b第二p型表面区域201第二n型半导体层252第二p型半导体层300光电化学电池31容器31a光入射部32对电极33电解质水溶液34导线35隔板36第1室37第2室38第1排气口39第2排气口40吸水口500能量系统520氢贮藏器530燃料电池540蓄电池具体实施方式以下，一边参照附图一边对本专利技术的实施方式进行详细说明。(第1实施方式)图1表示第1实施方式的光半导体电极100的截面图。如图1所示，第1实施方式的光半导体电极100，具备第1导电体层101、第一n型半导体层102、和第2导电体层103。第1导电体层101作为基板发挥作用。第一n型半导体层102配置于第1导电体层101上。第2导电体层103被覆着第一n型半导体层102的表面。第一n型半导体层102具有第一n型表面区域102a和第二n型表面区域102b。第一n型表面区域102a与第1导电体层101接触。第二n型表面区域102b与第2导电体层103接触。优选第2导电体层103完全地被覆着第一n型半导体层102的表面。所谓「第2导电体层103完全地被覆着第一n型半导体层102的表面」，意味着与第二n型表面区域102b接触的第2导电体层103的表面部分的面积，实质上等于第二n型表面区域102b的表面积。第2导电体层103具有透光性。因此，光经由第2导电体层103到达第一n型半导体层102。所谓「第2导电体层103被覆着第一n型半导体层102的表面」意味着第2导电体层103被覆着第一n型半导体层102的主面。第一n型半导体层102的侧面，可以不被第2导电体层103被覆。优选第2导电体层103完全地被覆着第一n型半导体层102的主面。但是，第一n型半导体层102的主面可以包含不被第2导电体层103被覆的微小区域。第2导电体层103形成于光半导体电极100的最表面。第2导电体层103是形成于第一n型半导体层102上的致密的膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光半导体电极，具备：第1导电体层；第一n型半导体层，其配置于所述第1导电体层上；和第2导电体层，其被覆所述第一n型半导体层，其中，所述第一n型半导体层具有第一n型表面区域和第二n型表面区域，所述第一n型表面区域与所述第1导电体层接触，所述第二n型表面区域与所述第2导电体层接触，所述第一n型表面区域的传导带的带边能级EC2a为所述第二n型表面区域的传导带的带边能级EC2b以下，所述第一n型表面区域的价电子带的带边能级EV2a为所述第二n型表面区域的价电子带的带边能级EV2b以下，所述第二n型表面区域的费米能级EF2b为所述第一n型表面区域的费米能级EF2a以下，所述第一n型表面区域的费米能级EF2a比所述第1导电体层的费米能级EF1小，所述第2导电体层的费米能级EF3比所述第二n型表面区域的费米能级EF2b小，所述第一n型半导体层由选自氮化物半导体以及氮氧化物半导体中的至少任1种形成，所述第2导电体层具有透光性，并且，所述第2导电体层由p型氧化物导电体形成。

【技术特征摘要】
2013.10.17 JP 2013-2163761.一种光半导体电极，具备：第1导电体层；和第一n型半导体层，其配置于所述第1导电体层上；所述光半导体电极的特征在于，还具备：第2导电体层，其被覆所述第一n型半导体层，其中，所述第一n型半导体层具有第一n型表面区域和第二n型表面区域，所述第一n型表面区域与所述第1导电体层接触，所述第二n型表面区域与所述第2导电体层接触，所述第一n型表面区域的传导带的带边能级EC2a为所述第二n型表面区域的传导带的带边能级EC2b以下，所述第一n型表面区域的价电子带的带边能级EV2a为所述第二n型表面区域的价电子带的带边能级EV2b以下，所述第二n型表面区域的费米能级EF2b为所述第一n型表面区域的费米能级EF2a以下，所述第一n型表面区域的费米能级EF2a比所述第1导电体层的费米能级EF1小，所述第2导电体层的费米能级EF3比所述第二n型表面区域的费米能级EF2b小，所述第一n型半导体层由选自氮化物半导体以及氮氧化物半导体中的至少任1种形成，所述第2导电体层具有透光性，并且，所述第2导电体层由p型氧化物导电体形成。2.根据权利要求1所述的光半导体电极，所述氮化物半导体以及氮氧化物半导体是选自Ti、Nb、和Ta中的金属的氮化物半导体以及氮氧化物半导体。3.根据权利要求1所述的光半导体电极，所述第一n型半导体层由2种以上的元素构成，并且，所述第一n型半导体层中所包含的至少1种元素的浓度，沿着所述第一n型半导体层的厚度方向增加或减少。4.根据权利要求1所述的光半导体电极，还具备第二n型半导体层，所述第二n型半导体层夹在所述第1导电体层和第一n型半导体层之间，所述第二n型半导体层的传导带的带边能级EC22比所述第一n型半导体层的传导带的带边能级EC21小，所述第二n型半导体层中的价电子带的带边能级EV22比所述第一n型半导体层中的价电子带的带边能级EV21小，所述第一n型半导体层的费米能级EF21比所述第二n型半导体层的费米能级EF22小，所述第二n型半导体层的费米能级EF22比所述第1导电体层的费米能级EF1小，并且，所述第2导电体层的费米能级EF3比所述第一n型半导体层的费米能级EF22小。5.根据权利要求4所述的光半导体电极，所述第一n型半导体层由选自Ti、Nb、和Ta中的金属的氮化物半导体或氮氧化物半导体形成。6.根据权利要求5所述的光半导体电极，所述第二n型半导体层由选自Ti、Nb、和Ta中的金属的氧化物半导体、氮化物半导体、或氮氧化物半导体形成。7.根据权利要求6所述的光半导体电极，所述第一n型半导体层中所含有的选自Ti、Nb、和Ta中的金属，与所述第二n型半导体层中所含有的选自Ti、Nb、和Ta中的金属相同。8.根据权利要求1所述的光半导体电极，所述p型氧化物导电体由选自p型氧化镍、p型氧化铜、p型氧化钴、p型氧化锌、p型CuNbO3、p型SrCu2O2、p型CuAlO2中的材料形成。9.根据权利要求8所述的光半导体电极，所述p型氧化物导电体由p型氧化镍形成。10.一种光电化学电池，具备：权利要求1所述的光半导体电极；对电极，其与所述光半导体电极中所包含的第1导电体层电连接；电解质水溶液，其与所述光半导体电极以及所述对电极的表面接触；和容器，其收容所述光半导体电极、所述对电极、和所述电解质水溶液。11.一种生成氢的方法，具备以下的工序：(a)准备权利要求10所述的光电化学电池的工序；和(b)向所述光电化学电池中所包含的光半导体电极照射光，在所述光电化学电池中所包含的对电极上产生氢的工序。12.一种能量系统，具备：权利要求10所述的光电化学电池；氢贮藏器，其经由第1配管而与所述光电化学电池连接，并且贮藏在所述光电化学电池内生成的氢；和燃料电池，其经由第2配管而与所述氢贮藏器连接，并且，将贮藏于所述氢...

【专利技术属性】
技术研发人员：田村聪，羽藤一仁，野村幸生，铃木孝浩，小泽宜裕，菊地谅介，
申请(专利权)人：松下知识产权经营株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP