光电化学电池及使用该光电化学电池的能量系统技术方案

光电化学电池（１００）具备：包括导电体（１２１）及ｎ型半导体层（１２２）的半导体电极（１２０）、与导电体（１２１）电连接的对电极（１３０）、与ｎ型半导体层（１２２）及对电极（１３０）的表面接触的电解液（１４０）、和对半导体电极（１２０）、对电极（１３０）及电解液（１４０）进行收容的容器（１１０），通过ｎ型半导体层（１２２）被照射光而产生氢。半导体电极（１２０）被设定成，以真空能级为基准，（Ｉ）ｎ型半导体层（１２２）的表面附近区域处的传导带及价电子带的带边沿能级，分别具有ｎ型半导体层（１２２）的与导电体（１２１）的接合面附近区域处的传导带及价电子带的带边沿能级以上的大小；（ＩＩ）ｎ型半导体层（１２２）的接合面附近区域的费米能级，比ｎ型半导体层（１２２）的表面附近区域的费米能级大；且（ＩＩＩ）导电体（１２１）的费米能级比ｎ型半导体层（１２２）中的接合面附近区域的费米能级大。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及通过光的照射来分解水的光电化学电池(cell)及使用该光电化学电 池的能量系统。
技术介绍
以往，公知有一种通过向作为光催化剂发挥功能的半导体材料照射光，来将水分 解，从而获取氢和氧(例如参照专利文献1)，或通过使用上述半导体材料来被覆基材的表 面，由此使上述基材的表面具有亲水性(例如参照专利文献2)。专利文献1中公开了一种在电解液中配置η型半导体电极和对电极(counter electrode)，通过向η型半导体电极的表面照射光，来从两个电极的表面获取氢及氧的方 法。具体而言，记载了采用TiO2电极、ZnO电极、CdS电极等作为η型半导体电极的技术。另外，在专利文献2中，公开了一种由基材、和在上述基材的表面形成的被膜构成 的亲水性部件，其中上述被膜具有含有氧化钛粒子的氧化钛层、和被配置在上述氧化钛层 上并由氧化钛以外的第二光催化剂材料构成的岛状部。具体而言，记载了使用传导带的下 端及价电子带的上端的电势，比氧化钛更位于以标准氢电极电位为基准的正侧(以真空能 级为基准的负侧)的材料，作为第二光催化剂材料的技术。而且，还提出了一种如下所述的光催化剂薄膜通过向生成在基座上的光催化剂 薄膜注入Nb、V及Cr等金属离子中的至少一种离子，使能带隙或电位梯度沿厚度方向变 化而成为倾斜膜，来作为能够获得在自然光下实现高效率的光催化剂性能的光催化剂薄膜 (参照专利文献3)。另外，还提出了一种将在导电性基材上依次配置有第一化合物半导体层、和具有 与上述第一化合物半导体层不同的能带隙的第二化合物半导体层的多层薄膜状光催化剂， 浸渍到含有硫化氢的溶液中，并向该多层薄膜状光催化剂照射光，来制造氢的技术(参照 专利文献4)。(专利文献1)日本特开昭51-123779号公报(专利文献2)日本特开2002-234105号公报(专利文献3)日本特开2002-143688号公报(专利文献4)日本特开2003-154272号公报但是，在专利文献1记载的方法的情况下，存在通过光的照射实现的水的分解反 应的量子效率低的问题。其原因在于，通过光激励而产生的空穴和电子，因为在被用于水的 电解反应之前复合而消失的概率较高。在专利文献2记载了通过光激励而生成的电子及空穴中，电子向第二光催化剂材 料的传导带移动，空穴向氧化钛的价电子带移动，从而由于电子-空穴对分离，所以复合的 概率降低。但是，在专利文献2中，对于氧化钛与第二光催化剂材料的接合面的能量状态被 如何设定完全没有记载。在氧化钛与第二光催化剂材料的接合面成为肖特基接合的情况 下，在接合面上，传导带及价电子带中产生肖特基势垒。此时，由于通过光激励而生成的电子及空穴中，电子被传导带的接合面上的肖特基势垒拦截，价电子带的接合面上的肖特基 势垒作为空穴存积处发挥功能，所以导致空穴存积在价电子带的接合面附近。因此，与分别 单独使用氧化钛和第二光催化剂材料的情况相比，存在电子与空穴复合的可能性提高这一 问题。专利文献3通过金属离子掺杂，使光催化剂膜倾斜膜化。但是，该构成是以通过使 光催化剂膜倾斜膜化，来提高到可见光区域为止光的利用效率为目的的技术。因此，完全没 有记载倾斜膜内的光催化剂的能量状态被如何设定，没有实现电荷分离等的最佳化。专利文献4中记载的多层薄膜状光催化剂，具有能带隙不同的两个半导体CdS和 ZnS接合，并且该半导体ZnS与导电性基材Pt接合的构造。在专利文献4中，记载了通过 如此使能带隙不同的材料接合，使得电子沿着能带隙的梯度向半导体ZnS移动，进而向导 电性基材Pt移动，容易在导电性基材上与氢离子结合，从而容易产生氢(专利文献4的 W027]段落)。但是，如果还考虑各材料的费米能级(真空基准值)，并关注它 们的接合部分，则由于CdS (-5. OeV)与ZnS (-5. 4eV)的接合部、ZnS (-5. 4eV)与Pt (-5. 7eV) 的接合部，相对电子的移动方向(从CdS向ZnS、进而从ZnS向Pt的移动方向)费米能级变 低，所以产生肖特基势垒。因此，在该构成中，虽然电子沿着能带隙的梯度移动，但难以顺畅 地移动。
技术实现思路
因此，本专利技术鉴于上述现有的问题点而提出，其目的在于，提供能够高效地对通过 光激励而生成的电子及空穴进行电荷分离，可以提高通过光的照射实现的氢生成反应的量 子效率的光电化学电池及使用该光电化学电池的能量系统。为了实现上述目的，本专利技术的第一光电化学电池具备半导体电极，其包括导电体 及配置在上述导电体上的η型半导体层；与上述导电体电连接的对电极；与上述η型半导 体层及上述对电极的表面接触的电解液；和收容上述半导体电极、上述对电极及上述电解 液的容器；通过上述η型半导体层被照射光而产生氢，以真空能级为基准，(I)上述η型半导体层的表面附近区域处的传导带及价电子带的带边沿能级，分 别具有上述η型半导体层的与上述导电体的接合面附近区域处的传导带及价电子带的带 边沿能级以上的大小，(II)上述η型半导体层的上述接合面附近区域的费米能级，比上述η型半导体层 的上述表面附近区域的费米能级大，且(III)上述导电体的费米能级比上述η型半导体层的上述接合面附近区域的费米 能级大。本专利技术的第二光电化学电池具备半导体电极，其包括导电体及配置在上述导电 体上的P型半导体层；与上述导电体电连接的对电极；与上述P型半导体层及上述对电极 的表面接触的电解液；和收容上述半导体电极、上述对电极及上述电解液的容器；通过上 述P型半导体层被照射光而产生氢，以真空能级为基准，(I)上述ρ型半导体层的表面附近区域处的传导带及价电子带的带边沿能级，分别比上述P型半导体层的与上述导电体的接合面附近区域处的传导带及价电子带的带边 沿能级小，(II)上述ρ型半导体层的上述接合面附近区域的费米能级，比上述ρ型半导体层 的上述表面附近区域的费米能级小，且(III)上述导电体的费米能级比上述ρ型半导体层的上述接合面附近区域的费米 能级小。本专利技术的能量系统具备上述本专利技术的第一或第二光电化学电池；通过第一配管 与上述第一或第二光电化学电池连接，对在上述第一或第二光电化学电池内生成的氢进行 贮藏的氢贮藏器；和通过第二配管与上述氢贮藏器连接，将上述氢贮藏器中贮藏的氢转换 成电力的燃料电池。根据本专利技术的第一及第二光电化学电池，由于可以将通过光激励而生成的电子及 空穴高效地电荷分离，所以能够使通过光的照射实现的氢生成反应的量子效率提高。本发 明的能量系统由于具备这样的光电化学电池，所以能够高效地供给电力。附图说明图1是表示本专利技术的实施方式1的光电化学电池的构成的概略图。图2是表示在本专利技术的实施方式1的光电化学电池中，构成半导体电极的导电体 及η型半导体层在接合前的能带结构的示意图。图3是表示在本专利技术的实施方式1的光电化学电池中，构成半导体电极的导电体 及η型半导体层在接合后的能带结构的示意图。图4是表示本专利技术的实施方式2的光电化学电池的构成的概略图。图5是表示在本专利技术的实施方式2的光电化学电池中，构成半导体电极的导电体、 第一 η型半导体层及第二 η型半导体层在接合前的能带结构的示意图。图6是表示在本专利技术的实施方式2的光电化学电池中，构成半导体电极的导电体、 第一 η型半导体层及第二 η型半导体层在接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电化学电池，具备：半导体电极，其包括导电体及配置在上述导电体上的ｎ型半导体层；与上述导电体电连接的对电极；与上述ｎ型半导体层及上述对电极的表面接触的电解液；和对上述半导体电极、上述对电极及上述电解液进行收容的容器；通过上述ｎ型半导体层被照射光而产生氢，以真空能级为基准，（Ⅰ）上述ｎ型半导体层的表面附近区域处的传导带及价电子带的带边沿能级，分别具有上述ｎ型半导体层的与上述导电体的接合面附近区域处的传导带及价电子带的带边沿能级以上的大小，（Ⅱ）上述ｎ型半导体层的上述接合面附近区域的费米能级，比上述ｎ型半导体层的上述表面附近区域的费米能级大，且（Ⅲ）上述导电体的费米能级，比上述ｎ型半导体层的上述接合面附近区域的费米能级大。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2008-10-30 2008-279415;JP 2009-4-10 2009-096315一种光电化学电池，具备半导体电极，其包括导电体及配置在上述导电体上的n型半导体层；与上述导电体电连接的对电极；与上述n型半导体层及上述对电极的表面接触的电解液；和对上述半导体电极、上述对电极及上述电解液进行收容的容器；通过上述n型半导体层被照射光而产生氢，以真空能级为基准，(I)上述n型半导体层的表面附近区域处的传导带及价电子带的带边沿能级，分别具有上述n型半导体层的与上述导电体的接合面附近区域处的传导带及价电子带的带边沿能级以上的大小，(II)上述n型半导体层的上述接合面附近区域的费米能级，比上述n型半导体层的上述表面附近区域的费米能级大，且(III)上述导电体的费米能级，比上述n型半导体层的上述接合面附近区域的费米能级大。2.根据权利要求1所述的光电化学电池，其特征在于，上述η型半导体层由两个以上元素构成，上述η型半导体层中的至少一个元素的浓度， 沿着上述η型半导体层的厚度方向增加或减少。3.根据权利要求2所述的光电化学电池，其特征在于，在上述电解液的PH值为0、温度为25°C的情况下，以真空能级为基准，上述η型半导体 层的上述接合面附近区域的费米能级为-4. 44eV以上、且上述η型半导体层的上述表面附 近区域处的价电子带的带边沿能级为-5. 67eV以下。4.根据权利要求1所述的光电化学电池，其特征在于，上述η型半导体层由从氧化物、氮化物及氧氮化物所构成的组中选择的至少一个形成。5.根据权利要求1所述的光电化学电池，其特征在于，上述η型半导体层含有锐钛矿型氧化钛及金红石型氧化钛，上述η型半导体层中，在上述表面附近区域锐钛矿型氧化钛的存在比率高于金红石型 氧化钛的存在比率，且在上述接合面附近区域金红石型氧化钛的存在比率高于锐钛矿型氧 化钛的存在比率。6.根据权利要求5所述的光电化学电池，其特征在于，在上述η型半导体层中，锐钛矿型氧化钛的存在比率从与上述导电体的接合面朝向表 面增加，且在上述η型半导体层中，金红石型氧化钛的存在比率从表面朝向与上述导电体的接合 面增加。7.根据权利要求1所述的光电化学电池，其特征在于，上述η型半导体层由配置在上述导电体上的第一 η型半导体层、和配置在上述第一 η 型半导体层上的第二 η型半导体层形成，以真空能级为基准，(i)上述第二 η型半导体层中的传导带及价电子带的带边沿能级，分别具有上述第一 η 型半导体层中的传导带及价电子带的带边沿能级以上的大小，( )上述第一 η型半导体层的费米能级比上述第二 η型半导体层的费米能级大，且(iii)上述导电体的费米能级比上述第一 η型半导体层的费米能级大。8.根据权利要求7所述的光电化学电池，其特征在于，在上述电解液的PH值为0、温度为25°C的情况下，以真空能级为基准， 上述第一 η型半导体层的费米能级为-4. 44eV以上、且上述第二 η型半导体层中的价 电子带的带边沿能级为-5. 67eV以下。9. 根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：野村幸生，铃木孝浩，德弘宪一，黑羽智宏，谷口升，羽藤一仁，德满修三，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]