JP2017101288A - Semiconductor photoelectrode - Google Patents

Semiconductor photoelectrode Download PDF

Info

Publication number
JP2017101288A
JP2017101288A JP2015235513A JP2015235513A JP2017101288A JP 2017101288 A JP2017101288 A JP 2017101288A JP 2015235513 A JP2015235513 A JP 2015235513A JP 2015235513 A JP2015235513 A JP 2015235513A JP 2017101288 A JP2017101288 A JP 2017101288A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor layer
semiconductor
layer
sample
photoelectrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2015235513A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
陽子 小野
Yoko Ono
陽子 小野
裕也 渦巻
Yuya Uzumaki
裕也 渦巻
武志 小松
Takeshi Komatsu
武志 小松
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2015235513A priority Critical patent/JP2017101288A/en
Publication of JP2017101288A publication Critical patent/JP2017101288A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To effectively provide photocatalytic reaction at a state with inhibiting deterioration of a semiconductor photoelectrode.SOLUTION: It has a first semiconductor layer 101 consisting of a III-V group compound semiconductor and a second semiconductor layer 102 consisting of an oxide semiconductor. The second semiconductor layer 102 is formed by coating a reaction area of the first semiconductor layer 101 generating a reaction of a target material.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光照射により酸化ターゲット物質または還元ターゲット物質の化学反応を引き起こす光触媒機能を有する半導体光電極に関する。   The present invention relates to a semiconductor photoelectrode having a photocatalytic function that causes a chemical reaction of an oxidation target material or a reduction target material by light irradiation.

光照射により触媒機能を発揮して酸化ターゲット物質または還元ターゲット物質の化学反応を引き起こす光触媒が知られている。例えば、太陽光を利用して、二酸化炭素の発生を伴うことなく水から水素を生成することが可能な光触媒が注目されており、近年盛んに研究されている。   A photocatalyst that exhibits a catalytic function by light irradiation to cause a chemical reaction of an oxidation target substance or a reduction target substance is known. For example, photocatalysts that can generate hydrogen from water without generating carbon dioxide using sunlight have attracted attention and have been actively studied in recent years.

このような光触媒において、光触媒反応の量子収率を向上させるには、光触媒内で光励起した電子・正孔対の空間分離と、反応中間体あるいは生成物が元の物質に戻る逆反応の抑制とが重要となる。逆反応の抑制は、酸化あるいは還元反応を促進するサイト(酸化反応サイトあるいは還元反応サイト)へ、正孔あるいは電子を移動させればよい。例えば、逆反応を効率的に抑制する技術として、酸化反応および還元反応の両方のサイトの配置を制御する電極式の方法が提案されている(非特許文献1,非特許文献2参照)。   In such a photocatalyst, in order to improve the quantum yield of the photocatalytic reaction, spatial separation of electron-hole pairs photoexcited in the photocatalyst and suppression of the reverse reaction in which the reaction intermediate or product returns to the original substance are performed. Is important. In order to suppress the reverse reaction, holes or electrons may be moved to a site (oxidation reaction site or reduction reaction site) that promotes the oxidation or reduction reaction. For example, as a technique for efficiently suppressing the reverse reaction, an electrode-type method for controlling the arrangement of both the oxidation reaction and the reduction reaction has been proposed (see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).

この技術では、二酸化炭素の還元反応の効率を向上させるために、二酸化炭素の還元反応サイトを金属の陽極板とし、水の酸化反応サイトを光触媒機能を有する半導体薄膜電極による陰極板とし、これらを分離して設け、陰極板から陽極板に電子が流れるように電気的な接続をしている。さらには、陽極板と陰極板を電解液に浸漬し、各極をイオン交換膜で分離することで、逆反応の抑制を可能にしている。しかし、このような窒化ガリウム系半導体薄膜電極は、光照射により自己酸化を起こし劣化するため、安定した光電流が得られないことが問題とされている。   In this technology, in order to improve the efficiency of the carbon dioxide reduction reaction, the carbon dioxide reduction reaction site is used as a metal anode plate, and the water oxidation reaction site is used as a cathode plate by a semiconductor thin film electrode having a photocatalytic function. They are provided separately and are electrically connected so that electrons flow from the cathode plate to the anode plate. Furthermore, the reverse reaction can be suppressed by immersing the anode plate and the cathode plate in an electrolyte and separating each electrode with an ion exchange membrane. However, such a gallium nitride based semiconductor thin film electrode is deteriorated due to self-oxidation caused by light irradiation, so that a stable photocurrent cannot be obtained.

上述した自己酸化の防止のために、窒化ガリウム系半導体光電極の表面に酸化ニッケルを助触媒として担持させる技術が提案されている(非特許文献3参照)。この技術では、光照射により半導体光電極上で生じた正孔を、酸化ニッケルによる助触媒で収集することにより自己酸化を抑制している。   In order to prevent the above-mentioned self-oxidation, a technique has been proposed in which nickel oxide is supported as a promoter on the surface of a gallium nitride based semiconductor photoelectrode (see Non-Patent Document 3). In this technique, holes generated on the semiconductor photoelectrode by light irradiation are collected with a promoter made of nickel oxide to suppress autooxidation.

S. Yotsuhashi et al., "Photo-induced CO2 Reduction with GaN Electrode in Aqueous System", Applied Physics Express, vol.4, 117101, 2011.S. Yotsuhashi et al., "Photo-induced CO2 Reduction with GaN Electrode in Aqueous System", Applied Physics Express, vol.4, 117101, 2011. S. Yotsuhashi et al., "Highly efficient photochemical HCOOH production from CO2 and water using an inorganic system", AIP ADVANCES, vol.2, 042160, 2012.S. Yotsuhashi et al., "Highly efficient photochemical HCOOH production from CO2 and water using an inorganic system", AIP ADVANCES, vol.2, 042160, 2012. S. Yotsuhashi et al., "Enhanced CO2 reduction capability in an AlGaN/GaN photoelectrode", Applied Physics Letters, vol.100, 243904, 2012.S. Yotsuhashi et al., "Enhanced CO2 reduction capability in an AlGaN / GaN photoelectrode", Applied Physics Letters, vol.100, 243904, 2012.

しかしながら、上述した自己酸化抑制の技術では、酸化ニッケルを担持している部分以外は、半導体光電極の表面が露出しているため、自己酸化などの劣化を完全に抑制することは困難であった。   However, since the surface of the semiconductor photoelectrode is exposed except for the portion supporting nickel oxide, it is difficult to completely suppress degradation such as self-oxidation in the above-described self-oxidation suppression technology. .

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、半導体光電極の劣化を防止した状態で効率的に光触媒反応が得られるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to efficiently obtain a photocatalytic reaction in a state in which deterioration of a semiconductor photoelectrode is prevented.

本発明に係る半導体光電極は、III−V族化合物半導体からなる第1半導体層と、対象とする物質の反応を起こさせる第1半導体層の反応領域を被覆して形成された酸化物半導体からなる第2半導体層とを備える。   The semiconductor photoelectrode according to the present invention includes a first semiconductor layer made of a III-V group compound semiconductor and an oxide semiconductor formed so as to cover a reaction region of the first semiconductor layer that causes a reaction of a target substance. And a second semiconductor layer.

上記半導体光電極において、第1半導体層に対して助触媒機能を有する材料からなる複数の島部が第2半導体層の反応領域に分散配置されて形成された助触媒層を備えるようにしてもよい。この材料は、Pt、Pd、Co、Au、Ag、Ru、Cu、Cr、Al、Fe、In、Ni、Rh、Re、または、これらの金属の合金、または、これら金属の酸化物のいずれかから構成されていればよい。   In the semiconductor photoelectrode, a plurality of island portions made of a material having a cocatalyst function with respect to the first semiconductor layer may be provided with a cocatalyst layer formed in a dispersed manner in the reaction region of the second semiconductor layer. Good. This material is either Pt, Pd, Co, Au, Ag, Ru, Cu, Cr, Al, Fe, In, Ni, Rh, Re, or an alloy of these metals, or an oxide of these metals. It should just be comprised from.

以上説明したことにより、本発明によれば、半導体光電極の劣化を防止した状態で効率的に光触媒反応が得られるになる。   As described above, according to the present invention, a photocatalytic reaction can be efficiently obtained in a state where deterioration of the semiconductor photoelectrode is prevented.

図1は、本発明の実施の形態における半導体光電極の一部構成を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a partial configuration of a semiconductor photoelectrode according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態における他の半導体光電極の構成を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of another semiconductor photoelectrode according to the embodiment of the present invention. 図3は、本発明の実施の形態における他の半導体光電極の一部構成を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a partial configuration of another semiconductor photoelectrode according to the embodiment of the present invention. 図4は、半導体光電極が用いられる実験装置の構成を示す構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram showing the configuration of an experimental apparatus in which a semiconductor photoelectrode is used. 図5は、実施の形態における試料1,比較試料1を用いた酸化還元反応試験の結果を示す特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram showing the results of an oxidation-reduction reaction test using Sample 1 and Comparative Sample 1 in the embodiment.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における半導体光電極の一部構成を示す断面図である。この半導体光電極は、III−V族化合物半導体からなる第1半導体層101と、酸化物半導体からなる第2半導体層102とを備える。第2半導体層102は、対象とする物質の反応を起こさせる第1半導体層101の反応領域を被覆して膜状に形成されている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a partial configuration of a semiconductor photoelectrode according to an embodiment of the present invention. This semiconductor photoelectrode includes a first semiconductor layer 101 made of a III-V group compound semiconductor and a second semiconductor layer 102 made of an oxide semiconductor. The second semiconductor layer 102 is formed in a film shape so as to cover a reaction region of the first semiconductor layer 101 that causes a reaction of a target substance.

例えば、図2に示すように、サファイアからなる基板111の上に、第1半導体層101を形成し、反応領域121における第1半導体層101の表面を第2半導体層102で覆えばよい。また、第1半導体層101には、配線112を電気的に接続する。配線112は、銅配線、銀配線、金配線などの金属配線であればよい。   For example, as shown in FIG. 2, the first semiconductor layer 101 may be formed on a substrate 111 made of sapphire, and the surface of the first semiconductor layer 101 in the reaction region 121 may be covered with the second semiconductor layer 102. Further, the wiring 112 is electrically connected to the first semiconductor layer 101. The wiring 112 may be a metal wiring such as a copper wiring, a silver wiring, or a gold wiring.

第1半導体層101は、光触媒機能を有する窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)、窒化インジウムガリウム(InGaN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)、リン化インジウム(InP)、リン化インジウムガリウム(InGaP)、ヒ化ガリウム(GaAs)などのIII−V族化合物半導体から構成すればよい。また、例えば、GaN層とAlGaN層との積層構造から第1半導体層101を構成してもよい。   The first semiconductor layer 101 has a photocatalytic function of gallium nitride (GaN), aluminum gallium nitride (AlGaN), indium gallium nitride (InGaN), aluminum gallium nitride (AlGaN), indium phosphide (InP), indium gallium phosphide ( What is necessary is just to comprise from III-V group compound semiconductors, such as InGaP) and gallium arsenide (GaAs). Further, for example, the first semiconductor layer 101 may be configured from a stacked structure of a GaN layer and an AlGaN layer.

第2半導体層102は、酸化亜鉛(ZnO)、酸化チタン(TiO2)、酸化鉄(Fe23)、酸化タングステン(WO3)、酸化ニオブ(Nb23)などの酸化物半導体から構成すればよい。なお、第2半導体層102は、伝導帯端および荷電子帯端のエネルギーが第1半導体層101より低く、伝導帯端のエネルギーは、第1半導体層101の荷電子帯端のエネルギーより高い状態となっていればよい。 The second semiconductor layer 102 is made of an oxide semiconductor such as zinc oxide (ZnO), titanium oxide (TiO 2 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), tungsten oxide (WO 3 ), niobium oxide (Nb 2 O 3 ). What is necessary is just to comprise. In the second semiconductor layer 102, the energy at the conduction band edge and the valence band edge is lower than that at the first semiconductor layer 101, and the energy at the conduction band edge is higher than the energy at the valence band edge of the first semiconductor layer 101. It only has to be.

また、第1半導体層101の伝導帯端のエネルギーは、水の還元電位より高く、第2半導体層102の荷電子帯端のエネルギーは、水の酸化電位より低ければよい。この構成とすることで、実施の形態における半導体光電極を用いることで、光触媒反応により水の電気分解が可能となる。ターゲット物質の酸化電位、還元電位に対応させて上記材料構成を適宜に設定すればよい。   Further, the energy at the conduction band edge of the first semiconductor layer 101 should be higher than the reduction potential of water, and the energy at the valence band edge of the second semiconductor layer 102 should be lower than the oxidation potential of water. With this configuration, by using the semiconductor photoelectrode in the embodiment, water can be electrolyzed by a photocatalytic reaction. The material structure may be set as appropriate in accordance with the oxidation potential and reduction potential of the target substance.

ここで、第1半導体層101をn型とすれば、実施の形態における半導体光電極は、酸化反応サイトとなる。第1半導体層101をGaN層とAlGaN層との積層構造とした場合、第2半導体層102の側のGaN層を、n型とすればよい。よく知られているように、Siをドープすることで、GaNはn型となる。一方、第1半導体層101をp型とすれば、実施の形態における半導体光電極は、還元反応サイトとなる。   Here, if the first semiconductor layer 101 is n-type, the semiconductor photoelectrode in the embodiment becomes an oxidation reaction site. When the first semiconductor layer 101 has a stacked structure of a GaN layer and an AlGaN layer, the GaN layer on the second semiconductor layer 102 side may be n-type. As is well known, GaN becomes n-type by doping Si. On the other hand, if the first semiconductor layer 101 is p-type, the semiconductor photoelectrode in the embodiment becomes a reduction reaction site.

ところで、図3に示すように、第2半導体層102の上に、第1半導体層に対して助触媒機能を有する材料からなる複数の島部が分散配置されて形成された助触媒層103を備えるようにしてもよい。助触媒層103は、第1半導体層101が配置されている側とは反対の、第2半導体層102上の反応領域に設けられていればよい。助触媒層103の各島部の間には、第2半導体層102の表面が露出している。助触媒層103を構成する助触媒は、Pt、Pd、Co、Au、Ag、Ru、Cu、Cr、Al、Fe、In、Ni、Rh、Re、または、これらの金属の合金、または、これら金属の酸化物のいずれかから構成されていればよい。   By the way, as shown in FIG. 3, the promoter layer 103 formed by dispersing and arranging a plurality of island parts made of a material having a promoter function with respect to the first semiconductor layer is formed on the second semiconductor layer 102. You may make it prepare. The promoter layer 103 may be provided in the reaction region on the second semiconductor layer 102 opposite to the side on which the first semiconductor layer 101 is disposed. The surface of the second semiconductor layer 102 is exposed between the island portions of the promoter layer 103. The promoter constituting the promoter layer 103 is Pt, Pd, Co, Au, Ag, Ru, Cu, Cr, Al, Fe, In, Ni, Rh, Re, or an alloy of these metals, or these What is necessary is just to be comprised from either of the metal oxides.

ところで、実施の形態における半導体光電極は、水などの媒質中に配置(浸漬)して用いればよい。例えば、図4に示すように、ガラスなどの透光性を有する部材から構成された光透過セル201に、媒質202を収容し、媒質202中に半導体光電極100を浸漬して配置する。光透過セル201は、例えば、内径20mm,内容量30mLの試験管から構成することができる。また、媒質202中には、例えば白金からなる対極203も浸漬して配置する。対極203は、例えば、Pt線[BAS製,Pt電極(型番002222)]であればよい。第1半導体層101をn型とした場合、対極203は、還元反応サイトとなる。一方、第1半導体層101をp型とした場合、対極203は、酸化反応サイトとなる。   By the way, the semiconductor photoelectrode in the embodiment may be disposed (immersed) in a medium such as water. For example, as shown in FIG. 4, a medium 202 is accommodated in a light transmission cell 201 formed of a light-transmitting member such as glass, and the semiconductor photoelectrode 100 is immersed in the medium 202 and disposed. The light transmission cell 201 can be composed of, for example, a test tube having an inner diameter of 20 mm and an inner volume of 30 mL. Further, a counter electrode 203 made of, for example, platinum is also immersed in the medium 202. The counter electrode 203 may be, for example, a Pt line [manufactured by BAS, Pt electrode (model number 002222)]. When the first semiconductor layer 101 is n-type, the counter electrode 203 becomes a reduction reaction site. On the other hand, when the first semiconductor layer 101 is p-type, the counter electrode 203 becomes an oxidation reaction site.

また、半導体光電極100の第1半導体層101に接続した配線112および対極203は、電流計204に接続する。また、光透過セル201に収容している媒質202は、攪拌子205を回転させることで攪拌する。また、半導体光電極100の第2半導体層102形成側には、光源206からの光を照射する。太陽光を光源としてもよい。   Further, the wiring 112 and the counter electrode 203 connected to the first semiconductor layer 101 of the semiconductor photoelectrode 100 are connected to an ammeter 204. The medium 202 accommodated in the light transmission cell 201 is agitated by rotating the agitator 205. In addition, the light from the light source 206 is irradiated on the side of the semiconductor photoelectrode 100 where the second semiconductor layer 102 is formed. Sunlight may be used as the light source.

媒質202は、H2SO4,HCl、Na2SO4、KHCO3のなどの電解質が溶解している水溶液であればよい。上記構成により水が電気分解できる(水の酸化反応による酸素生成、水の酸化により生じたプロトンの還元による水素生成)。また、実施の形態における半導体光電極100を用いることで、二酸化炭素を還元ターゲット物質とし、一酸化炭素、ギ散、メタノール、メタンの炭化水素類を生成することも可能である。 The medium 202 may be an aqueous solution in which an electrolyte such as H 2 SO 4 , HCl, Na 2 SO 4 , or KHCO 3 is dissolved. Water can be electrolyzed with the above structure (oxygen generation by water oxidation reaction, hydrogen generation by reduction of protons generated by water oxidation). In addition, by using the semiconductor photoelectrode 100 according to the embodiment, carbon monoxide can be used as a reduction target material, and hydrocarbons such as carbon monoxide, Gifusan, methanol, and methane can be generated.

[実施例]
次に、実施例を用いてより詳細に説明する。まず、半導体光電極(試料)の作製について説明する。
[Example]
Next, it demonstrates in detail using an Example. First, production of a semiconductor photoelectrode (sample) will be described.

[試料1]
はじめに、試料1について説明する。まず、主表面を(0001)面としたサファイアからなる基板111を用意し、この上に、シリコンをドープすることでn型としたGaNを堆積し、引き続いて、アルミニウムの組成比を9.6%としたAlGaNを堆積して第1半導体層101を形成する。例えば、よく知られた有機金属気相成長法によるエピタキシャル成長で、GaNおよびAlGaNが堆積できる。GaN層は層厚2nm、AlGaN層は層厚107nmとする。
[Sample 1]
First, the sample 1 will be described. First, a substrate 111 made of sapphire having a main surface of (0001) plane is prepared, and n-type GaN is deposited thereon by doping silicon, and subsequently the composition ratio of aluminum is 9.6. % Of AlGaN is deposited to form the first semiconductor layer 101. For example, GaN and AlGaN can be deposited by epitaxial growth by a well-known metal organic chemical vapor deposition method. The GaN layer has a thickness of 2 nm, and the AlGaN layer has a thickness of 107 nm.

次に、第1半導体層101の上に、第2半導体層102を形成する。まず、Znの有機化合物を有機溶剤に溶解した溶液から構成したMOD(Metal Organic Decomposition)コート剤を用意し、このMODコート剤を第1半導体層101の上に塗布して塗布膜を形成する。MODコート剤は、例えば、株式会社 高純度化学研究所製のZn−05であればよい。Zn−05を10倍に希釈して用いる。塗布は、スピンコート法により、回転数500rpm(時間10秒)→回転数5000rpm(時間40秒)の条件で実施すればよい。   Next, the second semiconductor layer 102 is formed on the first semiconductor layer 101. First, a MOD (Metal Organic Decomposition) coating agent composed of a solution in which an organic compound of Zn is dissolved in an organic solvent is prepared, and this MOD coating agent is applied onto the first semiconductor layer 101 to form a coating film. The MOD coating agent may be, for example, Zn-05 manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd. Zn-05 is diluted 10 times and used. Application may be performed by a spin coating method under conditions of a rotation speed of 500 rpm (time: 10 seconds) → a rotation speed of 5000 rpm (time: 40 seconds).

次に、塗布膜を焼成してZnOとすることで、第2半導体層102を得る。例えば、電気炉を用い、大気雰囲気中で550℃で30分間熱処理することで塗布膜を焼成すればよい。得られた第2半導体層102は、厚さ25nmである。   Next, the second semiconductor layer 102 is obtained by baking the coating film to obtain ZnO. For example, the coating film may be baked by heat treatment at 550 ° C. for 30 minutes in an air atmosphere using an electric furnace. The obtained second semiconductor layer 102 has a thickness of 25 nm.

次に、上述したことにより作製した積層膜を切断することで半導体光電極チップを形成した。チップサイズは、平面視10mm×15mmとした。また、形成した半導体光電極チップの一部表面(第2半導体層102)をダイヤモンドスクライバーを用いて剥離し、一部の第1半導体層101を露出させる。このようにして露出させた一部の第1半導体層101表面に、Inをロウ材として配線112をロウ付けし、試料1とした。なお、Inからなるロウ付け部は、エポキシ樹脂で被覆した。一部の第1半導体層101が露出したロウ付け領域以外の10mm×10mmの領域が、反応領域となる。   Next, a semiconductor photoelectrode chip was formed by cutting the laminated film prepared as described above. The chip size was 10 mm × 15 mm in plan view. Further, a part of the surface (second semiconductor layer 102) of the formed semiconductor photoelectrode chip is peeled off using a diamond scriber to expose a part of the first semiconductor layer 101. A wiring 1 was brazed with In as a brazing material on the surface of a part of the first semiconductor layer 101 exposed in this manner, thereby obtaining a sample 1. The brazing portion made of In was covered with an epoxy resin. A region of 10 mm × 10 mm other than the brazing region where a part of the first semiconductor layer 101 is exposed serves as a reaction region.

[試料2]
次に、試料2について説明する。試料2は、試料1の構成に加え、酸化ニッケルからなる助触媒層を設けた。まず、試料1と同様にして基板111の上にGaN層およびAlGaN層からなる第1半導体層101を形成し、第1半導体層101の上に第2半導体層102を形成する。
[Sample 2]
Next, the sample 2 will be described. Sample 2 was provided with a promoter layer made of nickel oxide in addition to the configuration of sample 1. First, in the same manner as in the sample 1, the first semiconductor layer 101 including the GaN layer and the AlGaN layer is formed on the substrate 111, and the second semiconductor layer 102 is formed on the first semiconductor layer 101.

次に、第2半導体層102の上に、助触媒層103を形成する。まず、Niの有機化合物を有機溶剤に溶解した溶液から構成したMODコート剤を用意し、このMODコート剤を200倍に希釈し、この希釈剤を第2半導体層102の上に塗布して塗布膜を形成する。MODコート剤は、例えば、株式会社 高純度化学研究所製のNi−03であればよい。塗布は、スピンコート法により、回転数500rpm(時間10秒)→回転数5000rpm(時間40秒)の条件で実施すればよい。   Next, the promoter layer 103 is formed on the second semiconductor layer 102. First, a MOD coating agent composed of a solution in which an organic compound of Ni is dissolved in an organic solvent is prepared, the MOD coating agent is diluted 200 times, and this diluent is applied onto the second semiconductor layer 102 and applied. A film is formed. The MOD coating agent may be, for example, Ni-03 manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd. Application may be performed by a spin coating method under conditions of a rotation speed of 500 rpm (time: 10 seconds) → a rotation speed of 5000 rpm (time: 40 seconds).

次に、塗布膜を焼成してNiOとすることで、助触媒層103を得る。例えば、電気炉を用い、大気雰囲気中で600℃で30分間熱処理することで塗布膜を焼成すればよい。得られた助触媒層103を走査型電子顕微鏡で観察したところ、厚さ数μm、平面視の径が5〜20μmの複数の島部から構成されていることが確認できた。次に、上述したことにより作製した積層膜を試料1と同様にしてチップとすることで、試料2とした。   Next, the co-catalyst layer 103 is obtained by baking the coating film to form NiO. For example, the coating film may be baked by heat treatment at 600 ° C. for 30 minutes in an air atmosphere using an electric furnace. When the obtained promoter layer 103 was observed with a scanning electron microscope, it was confirmed that the promoter layer 103 was composed of a plurality of island portions having a thickness of several μm and a diameter in a plan view of 5 to 20 μm. Next, Sample 2 was obtained by using the laminated film manufactured as described above as a chip in the same manner as Sample 1.

[試料3]
次に、試料3について説明する。試料3は、試料1の構成に加え、ニッケルからなる助触媒層を設けた。まず、試料1と同様にして基板111の上にGaN層およびAlGaN層からなる第1半導体層101を形成し、第1半導体層101の上に第2半導体層102を形成する。
[Sample 3]
Next, the sample 3 will be described. Sample 3 was provided with a promoter layer made of nickel in addition to the configuration of sample 1. First, in the same manner as in the sample 1, the first semiconductor layer 101 including the GaN layer and the AlGaN layer is formed on the substrate 111, and the second semiconductor layer 102 is formed on the first semiconductor layer 101.

次に、第2半導体層102の上に、助触媒層103を形成する。まず、よく知られたスパッタ法によりNiを厚さ5nm程度に堆積することで、第2半導体層102の上に助触媒層103を得る。得られた助触媒層103を走査型電子顕微鏡で観察したところ、平面視の径が5〜10μmの複数の島部から構成されていることが確認できた。次に、上述したことにより作製した積層膜を試料1と同様にしてチップとすることで、試料3とした。   Next, the promoter layer 103 is formed on the second semiconductor layer 102. First, the promoter layer 103 is obtained on the second semiconductor layer 102 by depositing Ni to a thickness of about 5 nm by a well-known sputtering method. When the obtained promoter layer 103 was observed with a scanning electron microscope, it was confirmed that the promoter layer 103 was composed of a plurality of island portions having a diameter in a plan view of 5 to 10 μm. Next, Sample 3 was obtained by using the laminated film prepared as described above as a chip in the same manner as Sample 1.

[比較試料1]
次に、比較試料1について説明する。比較試料1では、第2半導体層102を用いずに、第1半導体層101のみで構成した。まず、試料1と同様にして基板111の上にGaN層およびAlGaN層からなる第1半導体層101を形成する。次に、第1半導体層101が形成された基板111を切断することで半導体光電極チップを形成した。チップサイズは、平面視10mm×15mmとした。また、一部の第1半導体層101の表面に、Inをロウ材として配線112をロウ付けし、比較試料1とした。なお、Inからなるロウ部は、エポキシ樹脂で被覆した。第1半導体層101におけるロウ付け領域以外の10mm×10mmの領域が、反応領域となる。
[Comparative sample 1]
Next, the comparative sample 1 will be described. In the comparative sample 1, the second semiconductor layer 102 was not used, and only the first semiconductor layer 101 was used. First, the first semiconductor layer 101 composed of a GaN layer and an AlGaN layer is formed on the substrate 111 in the same manner as the sample 1. Next, a semiconductor photoelectrode chip was formed by cutting the substrate 111 on which the first semiconductor layer 101 was formed. The chip size was 10 mm × 15 mm in plan view. In addition, a wiring 112 was brazed with In as a brazing material on a part of the surface of the first semiconductor layer 101 to obtain a comparative sample 1. The brazing part made of In was covered with an epoxy resin. A region of 10 mm × 10 mm other than the brazing region in the first semiconductor layer 101 is a reaction region.

[比較試料2]
次に、比較試料2について説明する。比較試料2では、比較試料1の構成に加え、第1半導体層101の上に酸化ニッケルからなる助触媒層を設けた。まず、比較試料1と同様にして基板111の上にGaN層およびAlGaN層からなる第1半導体層101を形成する。次に、試料2と同様にすることで、第1半導体層101の上に、酸化ニッケルからなる助触媒層を形成する。
[Comparative sample 2]
Next, the comparative sample 2 will be described. In Comparative Sample 2, a promoter layer made of nickel oxide was provided on the first semiconductor layer 101 in addition to the configuration of Comparative Sample 1. First, the first semiconductor layer 101 composed of a GaN layer and an AlGaN layer is formed on the substrate 111 in the same manner as the comparative sample 1. Next, a promoter layer made of nickel oxide is formed on the first semiconductor layer 101 in the same manner as the sample 2.

次に、第1半導体層101が形成された基板111を切断することで半導体光電極チップを形成した。チップサイズは、平面視10mm×15mmとした。また、比較試料1と同様に、酸化ニッケルからなる助触媒層が形成されている一部の第1半導体層101の表面に、Inをロウ材として配線112をロウ付けし、比較試料2とした。   Next, a semiconductor photoelectrode chip was formed by cutting the substrate 111 on which the first semiconductor layer 101 was formed. The chip size was 10 mm × 15 mm in plan view. Similarly to the comparative sample 1, the wiring 112 was brazed with In as a brazing material on the surface of a part of the first semiconductor layer 101 on which the promoter layer made of nickel oxide was formed, thereby obtaining a comparative sample 2. .

[比較試料3]
次に、比較試料3について説明する。比較試料3では、比較試料1の構成に加え、第1半導体層101の上にニッケルからなる助触媒層を設けた。まず、比較試料1と同様にして基板111の上にGaN層およびAlGaN層からなる第1半導体層101を形成する。次に、試料3と同様にすることで、第1半導体層101の上に、ニッケルからなる助触媒層を形成する。
[Comparative sample 3]
Next, the comparative sample 3 will be described. In Comparative Sample 3, in addition to the configuration of Comparative Sample 1, a promoter layer made of nickel was provided on the first semiconductor layer 101. First, the first semiconductor layer 101 composed of a GaN layer and an AlGaN layer is formed on the substrate 111 in the same manner as the comparative sample 1. Next, a promoter layer made of nickel is formed on the first semiconductor layer 101 in the same manner as the sample 3.

次に、第1半導体層101が形成された基板111を切断することで半導体光電極チップを形成した。チップサイズは、平面視10mm×15mmとした。また、比較試料1と同様に、酸化ニッケルからなる助触媒層が形成されている一部の第1半導体層101の表面に、Inをロウ材として配線112をロウ付けし、比較試料3とした。   Next, a semiconductor photoelectrode chip was formed by cutting the substrate 111 on which the first semiconductor layer 101 was formed. The chip size was 10 mm × 15 mm in plan view. Similarly to the comparative sample 1, the wiring 112 is brazed with In as a brazing material on the surface of a part of the first semiconductor layer 101 on which the promoter layer made of nickel oxide is formed, thereby obtaining a comparative sample 3. .

[酸化還元反応試験]
次に、試料1,試料2,試料3,比較試料1,比較試料2,比較試料3を用いた酸化還元反応試験の結果について説明する。この試験では、図4を用いて説明したセルを用い、媒質202として濃度1Mの水酸化ナトリウム水溶液(20mL)を用いた。半導体光電極100として試料1,試料2,試料3,比較試料1,比較試料2,比較試料3を用いた。
[Redox reaction test]
Next, the result of the oxidation-reduction reaction test using Sample 1, Sample 2, Sample 3, Comparative Sample 1, Comparative Sample 2, and Comparative Sample 3 will be described. In this test, the cell described with reference to FIG. 4 was used, and a 1 M sodium hydroxide aqueous solution (20 mL) was used as the medium 202. As the semiconductor photoelectrode 100, Sample 1, Sample 2, Sample 3, Comparative Sample 1, Comparative Sample 2, and Comparative Sample 3 were used.

試験においては、媒質202にアルゴンガスを200mL/minで30分間バブリングして脱泡・置換した後、光透過セル201を、シリコーンとフッ素樹脂との2層構造のセプタムで密閉した。セル内の圧力は大気圧とした。また、光源206として、300Wの高圧キセノンランプ(360nm以上をカット、照度8mW/cm2)を用いた。光源206からの光は、セルの光透過セル201の外側から、半導体光電極100の反応領域に均一に照射した。また、媒質202の攪拌は、光透過セル201の底部中心に配置した攪拌子205を、図示しないスターらを用いて250rpmの回転速度で回転させて実施した。 In the test, argon gas was bubbled through the medium 202 at 200 mL / min for 30 minutes for defoaming and substitution, and then the light transmission cell 201 was sealed with a two-layered septum of silicone and fluororesin. The pressure in the cell was atmospheric pressure. Further, as the light source 206, a 300 W high-pressure xenon lamp (360 nm or more cut, illuminance 8 mW / cm 2 ) was used. The light from the light source 206 was uniformly applied to the reaction region of the semiconductor photoelectrode 100 from the outside of the light transmission cell 201 of the cell. Further, the stirring of the medium 202 was performed by rotating the stirring bar 205 arranged at the center of the bottom of the light transmission cell 201 at a rotational speed of 250 rpm using a star (not shown).

光照射中に電流計204で測定される光電流量を記録した。記録した結果を図5示す。図5には、試料1の結果を黒ひし形で示し、比較試料1の結果を白ひし形で示す。また、任意の時間が経過した時点で、光透過セル201内のガスをセプタム部分からシリンジで採取し、ガスクロマトグラフ質量分析計にて反応生成物を分析した。この分析では、水素と酸素が生成していることが確認された。   The photoelectric flow rate measured by the ammeter 204 during light irradiation was recorded. The recorded results are shown in FIG. In FIG. 5, the result of the sample 1 is shown by a black rhombus, and the result of the comparative sample 1 is shown by a white rhombus. Moreover, when arbitrary time passed, the gas in the light transmission cell 201 was extract | collected with the syringe from the septum part, and the reaction product was analyzed with the gas chromatograph mass spectrometer. This analysis confirmed the generation of hydrogen and oxygen.

図5に示すように、試料1では、100時間光照射後も安定した電流が維持された。これに対し、比較例1では、光照射13時間で電流量が0になった。これは、n−GaN/AlGaNによる第1半導体層101の光エッチングが進行したことが、原因と考えられる。   As shown in FIG. 5, in Sample 1, a stable current was maintained even after 100 hours of light irradiation. On the other hand, in Comparative Example 1, the amount of current became 0 after 13 hours of light irradiation. This is considered to be caused by the progress of photoetching of the first semiconductor layer 101 by n-GaN / AlGaN.

次に、試料1,試料2,試料3,比較試料1,比較試料2,比較試料3の各々おける、水素ガス生成量、酸素ガス生成量、安定した光電流の寿命を、以下の表1に示す。   Next, the hydrogen gas generation amount, oxygen gas generation amount, and stable photocurrent lifetime in each of Sample 1, Sample 2, Sample 3, Comparative Sample 1, Comparative Sample 2, and Comparative Sample 3 are shown in Table 1 below. Show.

ZnOからなる第2半導体層の表面に助触媒NiOまたはNiを分散した助触媒層を形成した試料2および試料3においても、100時間以上安定した電流が維持された。さらに、助触媒層を形成していない試料1の場合よりも、試料2および試料3の水素生成量はそれぞれ約2倍および7倍に向上した。この結果は、光照射により第1半導体層の表面に得られた正孔が、効率よく助触媒に収集されることで、再結合が抑制されたことを示している。助触媒層は、第2半導体層の表面にnmオーダーの微細な粒子(島部)として緻密に分散しているため、より電荷分離が促進されたと考えられる。   Also in Sample 2 and Sample 3 in which the promoter NiO or the promoter layer in which Ni was dispersed was formed on the surface of the second semiconductor layer made of ZnO, a stable current was maintained for 100 hours or more. Furthermore, the hydrogen production amounts of Sample 2 and Sample 3 were improved by about 2 times and 7 times, respectively, as compared with Sample 1 in which no promoter layer was formed. This result indicates that the recombination is suppressed by efficiently collecting holes obtained on the surface of the first semiconductor layer by light irradiation on the promoter. Since the promoter layer is densely dispersed as fine particles (islands) on the order of nm on the surface of the second semiconductor layer, it is considered that charge separation is further promoted.

次に、従来の電極構造である比較試料2,比較試料3の結果と比較する。比較試料2,比較試料3いずれも、NiOまたはNi助触媒を分散した助触媒層を設けることで、比較試料1よりも水素生成量は向上した。しかしながら、光電流の寿命はそれぞれ34時間、29時間であり、試料1と比較して大幅な向上は確認されなかった。   Next, it compares with the result of the comparative sample 2 and the comparative sample 3 which are the conventional electrode structures. Both Comparative Sample 2 and Comparative Sample 3 were provided with a promoter layer in which NiO or Ni promoter was dispersed, so that the hydrogen generation amount was improved as compared with Comparative Sample 1. However, the lifetime of the photocurrent was 34 hours and 29 hours, respectively, and no significant improvement was confirmed as compared with Sample 1.

以上の結果から、実施の形態における半導体光電極を、光反応による酸化還元反応の酸化電極として用いることで、第1半導体層101のエッチングが抑制され、電極寿命が大きく向上することが確認された。   From the above results, it was confirmed that the etching of the first semiconductor layer 101 was suppressed and the electrode life was greatly improved by using the semiconductor photoelectrode in the embodiment as an oxidation electrode for the oxidation-reduction reaction by photoreaction. .

以上に説明したように、本発明によれば、III−V族化合物半導体からなる第1半導体層の上に、酸化物半導体からなる第2半導体層を備えるようにしたので、半導体光電極の劣化を防止した状態で効率的に光触媒反応が得られるようなる。   As described above, according to the present invention, since the second semiconductor layer made of an oxide semiconductor is provided on the first semiconductor layer made of a III-V group compound semiconductor, the semiconductor photoelectrode is deteriorated. In this state, the photocatalytic reaction can be efficiently obtained.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.

101…第1半導体層、102…第2半導体層、103…助触媒層、111…基板、112…配線、121…反応領域。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... 1st semiconductor layer, 102 ... 2nd semiconductor layer, 103 ... Cocatalyst layer, 111 ... Substrate, 112 ... Wiring, 121 ... Reaction region.

Claims (3)

III−V族化合物半導体からなる第1半導体層と、
対象とする物質の反応を起こさせる前記第1半導体層の反応領域を被覆して形成された酸化物半導体からなる第2半導体層と
を備えることを特徴とする半導体光電極。
A first semiconductor layer made of a III-V group compound semiconductor;
A semiconductor photoelectrode, comprising: a second semiconductor layer made of an oxide semiconductor formed to cover a reaction region of the first semiconductor layer that causes a reaction of a target substance.
請求項1記載の半導体光電極において、
前記第1半導体層に対して助触媒機能を有する材料からなる複数の島部が前記第2半導体層の前記反応領域に分散配置されて形成された助触媒層
を備えることを特徴とする半導体光電極。
The semiconductor photoelectrode according to claim 1, wherein
A semiconductor light comprising: a promoter layer formed by dispersing and arranging a plurality of island parts made of a material having a promoter function with respect to the first semiconductor layer in the reaction region of the second semiconductor layer electrode.
請求項2記載の半導体光電極において、
前記材料は、Pt、Pd、Co、Au、Ag、Ru、Cu、Cr、Al、Fe、In、Ni、Rh、Re、または、これらの金属の合金、または、これら金属の酸化物のいずれかから構成されている
ことを特徴とする半導体光電極。
The semiconductor photoelectrode according to claim 2, wherein
The material is Pt, Pd, Co, Au, Ag, Ru, Cu, Cr, Al, Fe, In, Ni, Rh, Re, or an alloy of these metals, or an oxide of these metals. A semiconductor photoelectrode comprising:
JP2015235513A 2015-12-02 2015-12-02 Semiconductor photoelectrode Pending JP2017101288A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015235513A JP2017101288A (en) 2015-12-02 2015-12-02 Semiconductor photoelectrode

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015235513A JP2017101288A (en) 2015-12-02 2015-12-02 Semiconductor photoelectrode

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2017101288A true JP2017101288A (en) 2017-06-08

Family

ID=59016362

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015235513A Pending JP2017101288A (en) 2015-12-02 2015-12-02 Semiconductor photoelectrode

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2017101288A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019107627A (en) * 2017-12-20 2019-07-04 日本電信電話株式会社 Semiconductor photoelectrode
WO2020153080A1 (en) * 2019-01-25 2020-07-30 シャープ株式会社 Photocatalytic sheet
WO2023089654A1 (en) * 2021-11-16 2023-05-25 日本電信電話株式会社 Production method for semiconductor photoelectrode
JP2023117608A (en) * 2022-02-14 2023-08-24 本田技研工業株式会社 Water electrolysis device and water electrolysis method

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58152834A (en) * 1982-03-08 1983-09-10 Asahi Chem Ind Co Ltd Production of benzaldehyde
JP2007525593A (en) * 2003-06-27 2007-09-06 ゼネラル・モーターズ・コーポレーション Photoelectrochemical device and electrode
JP2007239048A (en) * 2006-03-09 2007-09-20 Univ Of Electro-Communications Light energy conversion apparatus and semiconductor photoelectrode
WO2013031063A1 (en) * 2011-08-31 2013-03-07 パナソニック株式会社 Method for reducing carbon dioxide
WO2014068944A1 (en) * 2012-10-31 2014-05-08 パナソニック株式会社 Photosemiconductor electrode, photoelectrochemical cell, and energy system
WO2014088077A1 (en) * 2012-12-06 2014-06-12 昭和シェル石油株式会社 Semiconductor electrode
WO2015001729A1 (en) * 2013-07-05 2015-01-08 パナソニックIpマネジメント株式会社 Method for reducing carbon dioxide
WO2015087691A1 (en) * 2013-12-13 2015-06-18 富士フイルム株式会社 Artificial-photosynthesis array

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58152834A (en) * 1982-03-08 1983-09-10 Asahi Chem Ind Co Ltd Production of benzaldehyde
JP2007525593A (en) * 2003-06-27 2007-09-06 ゼネラル・モーターズ・コーポレーション Photoelectrochemical device and electrode
JP2007239048A (en) * 2006-03-09 2007-09-20 Univ Of Electro-Communications Light energy conversion apparatus and semiconductor photoelectrode
WO2013031063A1 (en) * 2011-08-31 2013-03-07 パナソニック株式会社 Method for reducing carbon dioxide
WO2014068944A1 (en) * 2012-10-31 2014-05-08 パナソニック株式会社 Photosemiconductor electrode, photoelectrochemical cell, and energy system
WO2014088077A1 (en) * 2012-12-06 2014-06-12 昭和シェル石油株式会社 Semiconductor electrode
WO2015001729A1 (en) * 2013-07-05 2015-01-08 パナソニックIpマネジメント株式会社 Method for reducing carbon dioxide
WO2015087691A1 (en) * 2013-12-13 2015-06-18 富士フイルム株式会社 Artificial-photosynthesis array

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019107627A (en) * 2017-12-20 2019-07-04 日本電信電話株式会社 Semiconductor photoelectrode
WO2020153080A1 (en) * 2019-01-25 2020-07-30 シャープ株式会社 Photocatalytic sheet
JPWO2020153080A1 (en) * 2019-01-25 2021-11-25 シャープ株式会社 Photocatalyst sheet
JP7133040B2 (en) 2019-01-25 2022-09-07 シャープ株式会社 photocatalyst sheet
WO2023089654A1 (en) * 2021-11-16 2023-05-25 日本電信電話株式会社 Production method for semiconductor photoelectrode
JP2023117608A (en) * 2022-02-14 2023-08-24 本田技研工業株式会社 Water electrolysis device and water electrolysis method
JP7466582B2 (en) 2022-02-14 2024-04-12 本田技研工業株式会社 Water electrolysis device and method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6190339B2 (en) Photocatalytic device
US9551077B2 (en) Photoelectrode used for carbon dioxide reduction and method for reducing carbon dioxide using the photoelectrode
JP2017101289A (en) Semiconductor photoelectrode
US9157158B2 (en) Method for producing alcohol
JP2017101288A (en) Semiconductor photoelectrode
JP6875636B2 (en) Semiconductor electrodes and their manufacturing methods
JP6483628B2 (en) Semiconductor photocatalyst
JP2017210666A (en) Reduction method of carbon dioxide and reduction apparatus of carbon dioxide
JP7137070B2 (en) Manufacturing method of nitride semiconductor photoelectrode
JP6715172B2 (en) Method for manufacturing semiconductor photoelectrode
JP2018089604A (en) Semiconductor photoelectrode
JP2018090862A (en) Semiconductor photoelectrode
JP6470190B2 (en) Semiconductor photocatalyst
JP6898566B2 (en) Semiconductor optical electrode
WO2020116153A1 (en) Semiconductor optical electrode
JP6649237B2 (en) Photocatalytic oxidation-reduction reactor
WO2019230343A1 (en) Semiconductor photoelectrode
JP6470189B2 (en) Semiconductor photocatalyst
WO2021245923A1 (en) Semiconductor device
JP6718805B2 (en) Semiconductor photoelectrode
JP2019099884A (en) Semiconductor photoelectrode
WO2021234804A1 (en) Semiconductor photoelectrode
WO2022123644A1 (en) Semiconductor photoelectrode and method for producing semiconductor photoelectrode
JP7343810B2 (en) Method for manufacturing nitride semiconductor photoelectrode
JP6619370B2 (en) Photoreactor

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20171218

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20180918

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20181009

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20181113

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20181218