[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及光半导体电极、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。

背景技术

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n型半导体层122以及第二n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n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n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n型半导体层122的导带以及价带的导带底能级，(II)第一n型半导体层122的费米能级大于第二n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n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1：Smestad、G.P.、Krebs、F.C.、Lampert、C.M.、Granqvist、C.G.、Chopra、K.L.、Mathew、X.、&Takakura、H.“Reporting solar cell efficiencies in Solar Energy Materials and Solar Cells”Solar Energy Materials&Solar Cells、Vol.92、(2008)371-373。

发明内容

发明要解决的课题【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。

本发明的目的在于，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

本发明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。

发明效果【0002】

本发明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个铂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。