[发明专利]光半导体、使用了它的光半导体电极和光电化学单元、以及能量系统

说明书

技术领域

本发明涉及通过光的照射而使水分解的光半导体，和使用了它的光半导体电极及光电化学单元，以及使用了该光电化学单元的能量系统。

背景技术

历来，已知有通过对于作为光半导体发挥功能的半导体材料照射光，而使所述光半导体材料分解水，以提取氢和氧(例如，参照专利文献1)。在专利文献1中公开有一种技术，其是在电解液中配置n型半导体电极和相反极，对于n型半导体电极的表面照射光，从两电极的表面提取氢和氧。具体来说记述的是，作为n型半导体电极，使用TiO₂电极等。

然而，TiO₂(锐钛矿型)的带隙为380nm。因此，专利文献1所公示的半导体电极存在的问题是，只能利用大约1％的太阳光。

为了解决这一问题，专利文献2公开有一种使GaN(带隙：365nm，结晶构造：纤维锌矿型)中固溶有InN(结晶构造：纤维锌矿型)的单晶In_zGa_1-zN所制作的电极(0＜z＜1)。专利文献2所公开的气体发生装置，利用单晶In_zGa_1-zN，尝试使电极材料的带隙狭窄，即提高太阳光的利用效率。然而，在In_zGa_1-zN中，即使增加In的量，In_0.2Ga_0.8N(带隙：500nm)仍是界限。在In_zGa_1-zN中，若z＞0.2，则发生相分离。因此，In_zGa_1-zN难以通过增加In的量而使带隙更小。

如上述，在In_zGa_1-zN中，实现高In组成(In被高比率含有的组成)困难。另一方面，含有Ga和In的氧化物半导体的情况是，可以实现高In组成。在专利文献3中，作为高In组成的氧化物半导体，公开有InGaO₃(ZnO)_m(m为1～20的整数)。

【先行技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】特开昭51-123779号公报

【专利文献2】特开2003-24764号公报

【专利文献3】国际公开第二008/072486号手册

发明内容

本发明其课题在于，提供一种光半导体，其通过在使GaN中固溶有InN的单晶中实现高In组成，能够实现带隙更小的半导体材料、即能够利用可视光。此外，本发明其课题还在于，提供利用了这样的光半导体的光半导体电极及光电化学单元。此外，本发明其课题还在于，提供使用了所述光电化学单元的能量系统。

本发明者们，着眼于载流子的迁移率高且具有优异的半导体特性的铟(In)、镓(Ga)及锌(Zn)的氧化物。具体来说，本发明者们，着眼于将专利文献3所公开的高In组成的氧化物半导体的氧置换成氮。即，本发明者们着眼于，通过使结晶相为纤维锌矿型的InN、GaN和ZnO固溶，而让结晶相的至少一部分具有稳定的纤维锌矿型，并且，能够得到带隙小的半导体材料的可能性。

其结果是，本发明者们达成了本发明的光半导体，其是含有In、Ga、Zn、O及N的光半导体，具有在通式：In_2xGa_2(1-x)O₃(ZnO)_y(x和y满足0.2＜x＜1以及0.5≤y。)中、O的一部分由N置换了的组成。

本发明的光半导体电极，具有导电基板和在所述导电基板上所设置的光半导体层，

在所述光半导体层中，

所述光半导体层的与所述导电基板的接合面邻近区域，由通式：In_2xGa_2(1-x)O₃(ZnO)_y(x和y满足0.2＜x＜1以及0.5≤y。)所代表的组成物A构成，

所述光半导体层的表面邻近区域，由具有在所述通式中O的一部分被N置换了的组成的组成物B构成，

所述组成物A的费米能级比所述组成物B的费米能级大。

本发明的第一光电化学单元具有如下：

光半导体电极，其含有导电基板和光半导体层，该光半导体层配置在所述导电基板上、且含有上述本发明的光半导体；

与所述导电基板电连接的相反极；

与所述光半导体层和所述相反极的表面相接触的且含有水的电解液；