JP2018023940A - Optical semiconductor electrode and optical electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、光半導体電極及び光電気化学セルに関する。 The present disclosure relates to a photosemiconductor electrode and a photoelectrochemical cell.
深刻化する環境問題及びエネルギー問題を解決し、持続可能な社会を成立させるため、再生可能エネルギーの本格的な実用化が求められている。現在、太陽電池で得られた電力を蓄電池で貯蔵するシステムの普及が広がりつつある。しかし、蓄電池は重く、移動には適さない。そこで、将来的には、エネルギー媒体として水素の利用が期待されている。 In order to solve the serious environmental problems and energy problems and establish a sustainable society, full-scale practical application of renewable energy is required. At present, the spread of a system for storing electric power obtained by a solar cell with a storage battery is spreading. However, the storage battery is heavy and not suitable for movement. Therefore, in the future, use of hydrogen as an energy medium is expected.
水素の性質は以下のとおりである。
・貯蔵及び移動が容易である。
・燃やしても最終生成物は無害で安全な水となり、クリーンである。
・燃料電池を利用することで電気や熱に変換できる。
・水分解によって無尽蔵に得られる。
The properties of hydrogen are as follows.
-Easy to store and move.
・ Even if burned, the final product is harmless, safe water, and clean.
-It can be converted into electricity or heat by using a fuel cell.
・ It is obtained inexhaustible by water decomposition.
太陽光で水を分解して水素を生成する光半導体電極は、太陽光エネルギーを利用しやすいエネルギー媒体である水素に変換できる技術として注目されており、反応の高効率化を目指した研究開発が進められている。例えば、特許文献1では、金属基板と、金属基板表面に形成された光触媒作用を有する材料からなる半導体層とを備えた光半導体電極が開示されている。
Photo-semiconductor electrodes that generate hydrogen by decomposing water with sunlight are attracting attention as a technology that can convert solar energy into hydrogen, an energy medium that makes it easy to use solar energy, and research and development aimed at increasing reaction efficiency. It is being advanced. For example,
しかし、特許文献1の光半導体電極は、電極に入射した光を水分解反応に有効に利用できないという課題を有している。なぜなら、電極に入射した光の一部は、半導体層に進入した後に金属基板に到達し、金属基板によって吸収されてしまうためである。太陽光を利用する場合には、光子数が多く含まれる可視領域の光まで吸収可能な半導体を用いることが重要であるが、一般的に光の波長が大きいほど半導体に吸収されずに半導体層を透過する光の割合が高まるため、金属基板に吸収される光の割合が高まり太陽光の利用効率が低くなる。
However, the optical semiconductor electrode of
光半導体電極による水分解反応に対する太陽光の利用効率を高めるには、半導体層で吸収される光子数を増加し、さらに、発生した光励起キャリア(電子と正孔)を効率よく水分解反応に利用する必要がある。半導体層による光吸収量を増加する方法として半導体層の厚さを増加させることが考えられる。しかし、半導体層の厚さが、光励起キャリアが移動可能な距離よりも大きい場合、光励起キャリアが半導体層の表面に到達する前に再結合してしまい、水分解反応への光の利用効率を高めることはできない。よって、高効率な光半導体電極とするには、半導体層が可視領域の光を十分に光吸収可能であり、かつ、光励起キャリアの移動可能な距離よりも半導体層の厚さを小さくすることが必要である。 In order to increase the use efficiency of sunlight for the water splitting reaction by the optical semiconductor electrode, the number of photons absorbed in the semiconductor layer is increased, and the generated photoexcited carriers (electrons and holes) are efficiently used for the water splitting reaction. There is a need to. As a method for increasing the amount of light absorbed by the semiconductor layer, it is conceivable to increase the thickness of the semiconductor layer. However, when the thickness of the semiconductor layer is larger than the distance that the photoexcited carriers can move, the photoexcited carriers recombine before reaching the surface of the semiconductor layer, thereby increasing the efficiency of using light for the water splitting reaction. It is not possible. Therefore, in order to obtain a highly efficient optical semiconductor electrode, the semiconductor layer can sufficiently absorb light in the visible region, and the thickness of the semiconductor layer should be smaller than the distance that photoexcited carriers can move. is necessary.
そこで、本開示は、照射された太陽光を効率的に水分解反応に利用することができる光半導体電極を提供することを目的とする。 Then, this indication aims at providing the photo-semiconductor electrode which can utilize the irradiated sunlight efficiently for water splitting reaction.
本開示は、
水を分解する光触媒作用を有し、かつその吸収端の波長が450nmよりも長波長側である半導体で形成されている半導体層と、
前記半導体層上に当該半導体層と接して配置されており、Ag及びAlからなる群から選択される少なくともいずれか1種の元素を含む金属材料で形成されている反射率増加層と、
前記反射率増加層上に配置されており、前記反射率増加層の前記金属材料よりも大きい引張強度を有する材料で形成されている導電性基板と、
を含む、光半導体電極を提供する。
This disclosure
A semiconductor layer formed of a semiconductor having a photocatalytic action of decomposing water and having a wavelength at the absorption edge longer than 450 nm;
A reflectance increasing layer disposed on the semiconductor layer in contact with the semiconductor layer and formed of a metal material containing at least one element selected from the group consisting of Ag and Al;
A conductive substrate disposed on the reflectivity increasing layer and formed of a material having a tensile strength greater than the metal material of the reflectivity increasing layer;
An optical semiconductor electrode is provided.
本開示の光半導体電極は、照射された太陽光を効率的に水分解反応に利用することができる。 The photo-semiconductor electrode of this indication can utilize the irradiated sunlight efficiently for a water splitting reaction.
<本開示に係る一態様を得るに至った経緯>
水分解反応に用いられる光半導体電極として、従来、例えば特許文献1に開示されている電極のような、金属基板等の導電性基板の上に光触媒作用を有する半導体層が設けられた電極が提案されている。半導体層には、表面に付着した水を分解する光触媒作用を有する半導体が用いられる。このような従来の光半導体電極には、電極に入射した太陽光等の光を水分解反応に有効に利用する効率(光の利用効率)の向上が求められている。
<Background to obtaining one aspect of the present disclosure>
As an optical semiconductor electrode used for the water splitting reaction, an electrode having a semiconductor layer having a photocatalytic action on a conductive substrate such as a metal substrate, such as the electrode disclosed in
光半導体電極の光の利用効率を向上させるための手段の一つとして、半導体層における光の吸収量を増加させることが考えられる。半導体層が薄すぎる場合、照射された光全体に対し、半導体層で吸収されずに透過して、最終的には導電性基板に吸収されるなどして水分解反応に寄与できない光の割合が高くなる。特に、光の波長が大きくなるほど半導体の光吸収係数の値は小さくなる傾向があるので、半導体の吸収端付近の波長を持つ光の利用効率は低下してしまう。したがって、単に半導体層における光の吸収量の増加のみを考慮するならば、半導体層の厚さを増加させればよい。しかし、半導体層が厚すぎる、具体的には光励起により生成される光励起キャリアの拡散長を超える厚さであると、電極表面(半導体層表面)からの距離が光励起キャリアの拡散長よりも大きい位置で生成した光励起キャリアは、電極表面に移動する前に再結合などにより消滅し、水分解反応に寄与できなくなる。したがって、光励起されたキャリアの利用効率を高める観点からは、半導体層の厚みはできるだけ薄いほうがよいと言える。 One means for improving the light utilization efficiency of the optical semiconductor electrode is to increase the amount of light absorbed in the semiconductor layer. When the semiconductor layer is too thin, the ratio of light that cannot be contributed to the water splitting reaction by being transmitted without being absorbed by the semiconductor layer and finally absorbed by the conductive substrate with respect to the entire irradiated light. Get higher. In particular, since the value of the light absorption coefficient of the semiconductor tends to decrease as the wavelength of light increases, the utilization efficiency of light having a wavelength near the absorption edge of the semiconductor decreases. Therefore, if only an increase in the amount of light absorption in the semiconductor layer is taken into consideration, the thickness of the semiconductor layer may be increased. However, when the semiconductor layer is too thick, specifically, when the thickness exceeds the diffusion length of photoexcited carriers generated by photoexcitation, the distance from the electrode surface (semiconductor layer surface) is larger than the diffusion length of photoexcited carriers. The photoexcited carriers generated in (1) disappear due to recombination before moving to the electrode surface and cannot contribute to the water splitting reaction. Therefore, it can be said that the thickness of the semiconductor layer should be as thin as possible from the viewpoint of increasing the utilization efficiency of the photoexcited carriers.
以上より、光半導体電極において水分解反応に対する光の利用効率を高めるためには、半導体層の厚さは光励起キャリアの拡散長程度で、いかに吸収できる光子数を増加させるかが重要となる。 From the above, in order to increase the light utilization efficiency for the water splitting reaction in the optical semiconductor electrode, the thickness of the semiconductor layer is about the diffusion length of the photoexcited carrier, and how to increase the number of photons that can be absorbed is important.
厚さを増加させずに半導体層での光吸収量を増加させる方法として、光電変換デバイスである太陽電池では,半導体層表面側に反射防止膜を形成するなどの工夫が行われている。しかし、水分解反応に用いられる光半導体電極の場合、半導体層と水が物理的に接触する必要があるため、半導体層の表面を反射防止膜で被覆するというような構造を採用することができない。 As a method for increasing the amount of light absorption in the semiconductor layer without increasing the thickness, a device such as an antireflection film is formed on the surface of the semiconductor layer in a solar cell that is a photoelectric conversion device. However, in the case of an optical semiconductor electrode used for a water splitting reaction, it is necessary to physically contact the semiconductor layer with water, and thus a structure in which the surface of the semiconductor layer is covered with an antireflection film cannot be employed. .
そこで、本開示者らは、鋭意研究により、限られた厚さの半導体層で吸収する光子数を増加する方法として、半導体層と導電性基板との界面における反射率を高めることに着目した。すなわち、半導体層と導電性基板との間に、半導体層との界面において高い反射率を実現できる層(反射率増加層)を設けることに着目した。半導体層と反射率増加層との界面における反射率が高い場合、半導体層を透過した光がその界面で高い割合で反射されるため、導電性基板での光吸収による光のロスは低減される。また、反射された光は再び半導体層に進入して半導体層で吸収されるので、結果的に、半導体層で吸収される光子数が多くなる。ここで、互いに異なる2つの物質(ここでは、半導体層の材料と、反射率増加層の材料)間の界面における反射率(R)は、界面を形成するこれらの物質の光学定数(屈折率と消光係数)の組合せで決定される。膜面に対して垂直に光が入射される場合、互いに異なる2つの物質間の界面の反射率(R)は、以下の式(1)で求まることが知られている。なお、以下の式(1)において、n1は、光入射側に配置されている層、すなわちここでは半導体層の材料の屈折率、n2は反射率増加層の材料の屈折率、k2は反射率増加層の材料の消光係数である。以下の式(1)からわかるように、反射率(R)は、半導体層の材料の光学定数と反射率増加層の材料の光学定数とによって変化するため、反射率の高い材料を反射率増加層の材料として一概に決めることはできない。 Therefore, the present inventors have focused on increasing the reflectivity at the interface between the semiconductor layer and the conductive substrate as a method for increasing the number of photons absorbed by the semiconductor layer having a limited thickness through intensive studies. That is, attention was paid to providing a layer (reflectance increasing layer) capable of realizing high reflectance at the interface with the semiconductor layer between the semiconductor layer and the conductive substrate. When the reflectivity at the interface between the semiconductor layer and the reflectivity increasing layer is high, light transmitted through the semiconductor layer is reflected at a high rate at the interface, so that light loss due to light absorption by the conductive substrate is reduced. . Further, since the reflected light again enters the semiconductor layer and is absorbed by the semiconductor layer, as a result, the number of photons absorbed by the semiconductor layer increases. Here, the reflectance (R) at the interface between two different substances (here, the material of the semiconductor layer and the material of the reflectance increasing layer) is the optical constant (refractive index and refractive index) of these substances forming the interface. The extinction coefficient is determined in combination. It is known that the reflectance (R) of the interface between two different substances is obtained by the following formula (1) when light is incident perpendicular to the film surface. In the following formula (1), n1 is the refractive index of the material disposed on the light incident side, that is, here the semiconductor layer material, n2 is the refractive index of the material of the reflectance increasing layer, and k2 is the reflectance. It is the extinction coefficient of the material of the increasing layer. As can be seen from the following equation (1), the reflectance (R) varies depending on the optical constant of the semiconductor layer material and the optical constant of the material of the reflectance increasing layer. The material of the layer cannot be generally determined.
例として、図1を参照しながら、半導体層に光触媒材料として一般的な半導体材料である二酸化チタン(TiO2)を用い(TiO2層1)、半導体層と界面を形成する層としてTi層又はNb層2を用いた場合の界面の反射率を考える。図中、N1はTiO2の複素屈折率、n1はTiO2の屈折率、k1はTiO2の消光係数、N2はTi又はNbの複素屈折率、n2はTi又はNbの屈折率、k2はTi又はNbの消光係数である。
As an example, referring to FIG. 1, titanium dioxide (TiO 2 ), which is a common semiconductor material, is used as a photocatalytic material for the semiconductor layer (TiO 2 layer 1), and a Ti layer or a layer that forms an interface with the semiconductor layer is used. Consider the reflectivity of the interface when the
TiO2は、紫外光(波長が400nm以下)のみを吸収することができる材料であるため,吸収可能な344nm(3.6eV)の波長の光に対して、隣接する層の材料によって界面の反射率がどの程度変化するかを検討する。 Since TiO 2 is a material that can absorb only ultraviolet light (having a wavelength of 400 nm or less), reflection of the interface by the material of the adjacent layer with respect to light having a wavelength of 344 nm (3.6 eV) that can be absorbed. Consider how the rate changes.
Nb、Ti及びTiO2の波長350nmの光に対する光学定数を表1に示す。Nb及びTiと接する物質が大気(屈折率が1)である場合、すなわち大気中のNb層及びTi層の反射率について、式を用いて計算された結果を表2上段に示す。表2上段より、大気中での反射率は、Ti及びNbのいずれの材料においてもほぼ同程度の反射率であることが分かる。 Table 1 shows optical constants of Nb, Ti and TiO 2 with respect to light having a wavelength of 350 nm. When the substance in contact with Nb and Ti is in the atmosphere (refractive index is 1), that is, the reflectivity of the Nb layer and Ti layer in the atmosphere, the results calculated using equations are shown in the upper part of Table 2. From the upper part of Table 2, it can be seen that the reflectance in the atmosphere is substantially the same for both Ti and Nb materials.
続いて、Nb層又はTi層の上にTiO2層を積層した場合の、Nb層又はTi層と、TiO2層との界面での反射率を計算した結果を表2下段に示す。 Subsequently, the results of calculating the reflectance at the interface between the Nb layer or the Ti layer and the TiO 2 layer when the TiO 2 layer is laminated on the Nb layer or the Ti layer are shown in the lower part of Table 2.
この結果よると、大気中では同程度の反射率を有する物質(Nb、Ti)であっても、TiO2層を積層した場合での界面における反射率は大きく変化することが分かる。さらに、TiO2層での光吸収率を増加させるという観点からは、TiO2層と界面を形成する物質として、NbよりもTiが適していることがわかる。このように、用いる半導体に対して適した光学定数を有する物質を選択し、その物質によって半導体層に接する層を形成することで、界面における高い反射率を達成できることがわかる。 According to this result, it can be seen that the reflectance at the interface when the TiO 2 layer is laminated changes greatly even in the case of a substance (Nb, Ti) having the same degree of reflectance in the atmosphere. Further, from the viewpoint of increasing the light absorption rate in the TiO 2 layer, a material for forming the TiO 2 layer and the interface, it can be seen that Ti is more suitable than Nb. Thus, it can be seen that a high reflectivity at the interface can be achieved by selecting a material having an optical constant suitable for the semiconductor to be used and forming a layer in contact with the semiconductor layer with the material.
また、物質の光学定数の値は光の波長に対して変化する。そのため,対象とする光の波長領域を見定め、それらの波長領域における半導体の光学定数に対して適した光学定数を有する材料を、反射率増加層を形成するための材料として選択する必要がある。 Further, the value of the optical constant of the substance varies with the wavelength of light. Therefore, it is necessary to determine the wavelength range of the target light and select a material having an optical constant suitable for the optical constant of the semiconductor in those wavelength ranges as a material for forming the reflectance increasing layer.
図2に、太陽光に含まれる光子数の波長分布を示す。これより、太陽光に含まれる光子数は可視領域の波長(400nm以上)で多く、450nm以上の領域では更に多くなり、500〜800nm付近の波長領域で光子数は最大となることが分かる。よって、吸収できる光子数を増加させるには、用いられる半導体が少なくとも450nmよりも長波長側に吸収端を有し、望ましくは500〜800nmの光に対して高い吸収率を持つことが重要であり、さらにこの波長領域において半導体層と反射率増加層との界面での反射率を高くすることが効果的である。 FIG. 2 shows the wavelength distribution of the number of photons contained in sunlight. From this, it can be seen that the number of photons contained in sunlight is large at wavelengths in the visible region (400 nm or more), more in the region of 450 nm or more, and the maximum number of photons in the wavelength region near 500 to 800 nm. Therefore, in order to increase the number of photons that can be absorbed, it is important that the semiconductor used has an absorption edge at a wavelength longer than at least 450 nm, and preferably has a high absorption rate for light of 500 to 800 nm. Furthermore, it is effective to increase the reflectance at the interface between the semiconductor layer and the reflectance increasing layer in this wavelength region.
一方、光触媒反応によって水分解を行うためには、理論的に最低1.23eV以上(すなわち,光の波長に換算すると1000nm以下)のエネルギーを持った光子を利用することが可能である。しかし、水分解反応における過電圧の影響などにより、実際には半導体のバンドギャップは1.23eVよりも大きくなる必要があり、半導体で吸収できる光の波長は1000nm以下の半導体の吸収端までということになる。また、半導体の光吸収係数の値は吸収端に近いほど小さな値となるため、吸収端付近の波長領域の光は半導体層を透過しやすくなる。 On the other hand, in order to perform water splitting by a photocatalytic reaction, it is possible to use photons having energy of 1.23 eV or more theoretically (that is, 1000 nm or less in terms of light wavelength). However, due to the influence of overvoltage in the water splitting reaction, the band gap of the semiconductor actually needs to be larger than 1.23 eV, and the wavelength of light that can be absorbed by the semiconductor is up to the absorption edge of the semiconductor of 1000 nm or less. Become. In addition, since the value of the light absorption coefficient of the semiconductor is smaller as it is closer to the absorption edge, light in the wavelength region near the absorption edge is easily transmitted through the semiconductor layer.
光触媒反応によって水分解でき、かつ、可視領域まで光吸収可能な光触媒として報告されている半導体は限られる。したがって、水分解用の光触媒として有望な半導体に対して適切な材料を、反射率増加層の材料として選択することが望ましい。 Only a limited number of semiconductors have been reported as photocatalysts that can be hydrolyzed by a photocatalytic reaction and can absorb light in the visible region. Therefore, it is desirable to select a material suitable for the semiconductor that is promising as a photocatalyst for water splitting as a material for the reflectance increasing layer.
ここで、半導体層の半導体の屈折率n1と反射率増加層の材料の光学定数(屈折率n2及び消光係数k2)とによって、半導体層と反射率増加層との界面における反射率がどのように変化するかを考察する。半導体の屈折率n1について,n1=1.5、2.5、3.5とした場合に、反射率増加層の材料の屈折率n2と消光係数k2との値によって反射率がどのように変化するかを、図3A〜図3Cにそれぞれ示す。 Here, how the reflectance at the interface between the semiconductor layer and the reflectance increasing layer is determined by the refractive index n1 of the semiconductor of the semiconductor layer and the optical constants (refractive index n2 and extinction coefficient k2) of the material of the reflectance increasing layer. Consider how it will change. When the refractive index n1 of the semiconductor is n1 = 1.5, 2.5, and 3.5, how the reflectance changes depending on the values of the refractive index n2 and the extinction coefficient k2 of the material of the reflectance increasing layer. This is shown in FIGS. 3A to 3C.
図3A〜図3Cの対比によれば、n1の変化に伴い、反射率が最小となるn2及びk2の値が変化することが分かる。すなわち、半導体の屈折率n1の値に対して適切なn2及びk2を有する材料を反射率増加層の材料として選択しなければ、半導体層と反射率増加層との界面における反射がほぼゼロになり、半導体層で吸収される光子数を増加できないことが確認される。一方、n1が1.5、2.5及び3.5のいずれの値の場合においても、k2の増加に伴い反射率が相対的に増加する傾向が見られ、特にk2が3以上の領域において非常に高い反射率を有することが確認される。そこで、本開示者らは、500〜800nmの波長領域における反射率を増加するには、500〜800nmの波長領域における反射率増加層の材料の消光係数の値を3以上とすることが望ましいとの技術的思想に到達した。また、図3A〜図3Cから、消光係数3以上の範囲では、屈折率3程度以下とすることで高い反射率を得やすいことも確認できる。 According to the comparison of FIGS. 3A to 3C, it can be seen that the values of n2 and k2 at which the reflectance is minimized change with the change of n1. That is, if a material having n2 and k2 appropriate for the value of the refractive index n1 of the semiconductor is not selected as the material for the reflectance increasing layer, the reflection at the interface between the semiconductor layer and the reflectance increasing layer is almost zero. It is confirmed that the number of photons absorbed in the semiconductor layer cannot be increased. On the other hand, in the case where n1 is any value of 1.5, 2.5, and 3.5, there is a tendency that the reflectivity relatively increases as k2 increases, particularly in the region where k2 is 3 or more. It is confirmed to have a very high reflectivity. In view of this, it is desirable that the value of the extinction coefficient of the material of the reflectance increasing layer in the wavelength region of 500 to 800 nm is 3 or more in order to increase the reflectance in the wavelength region of 500 to 800 nm. Reached the technical idea of Further, from FIGS. 3A to 3C, it can be confirmed that, in the range of the extinction coefficient of 3 or more, it is easy to obtain a high reflectance by setting the refractive index to about 3 or less.
また、反射率増加層は、半導体層で形成された電子が導電性基板まで移動することを妨げないために、導電体としての機能を有する必要がある。そのため、反射率増加層は、半導体層との間にオーミック接合を形成できる材料で形成されることが望ましい。半導体層及び反射率増加層との間の電子移動は、これらの間に形成されるショットキー障壁によって妨げられ得る。しかし、半導体層と反射率増加層とがオーミック接合を形成する場合、ショットキー障壁は生じないので、半導体層から反射率増加層への電子移動が妨げられない。したがって、半導体層と反射率増加層とがオーミック接合を形成する場合は、光半導体電極は、発生した光励起キャリアを効率よく水分解反応に利用することができる。 The reflectance increasing layer needs to have a function as a conductor in order not to prevent electrons formed in the semiconductor layer from moving to the conductive substrate. Therefore, it is desirable that the reflectance increasing layer be formed of a material that can form an ohmic junction with the semiconductor layer. Electron transfer between the semiconductor layer and the reflectivity increasing layer can be hindered by a Schottky barrier formed between them. However, when the semiconductor layer and the reflectance increasing layer form an ohmic junction, no Schottky barrier is generated, and thus electron transfer from the semiconductor layer to the reflectance increasing layer is not hindered. Therefore, when the semiconductor layer and the reflectance increasing layer form an ohmic junction, the photo-semiconductor electrode can efficiently use the generated photoexcited carriers for the water splitting reaction.
また、導電性基板は、半導体層及び反射率増加層を支持して、光半導体電極の形状を維持する役割も担う。したがって、導電性基板は、導電性を有するだけでなく、半導体層及び反射率増加層を支持し、かつ光半導体電極としての形状を維持するために十分な機械的強度も有する必要がある。また、光半導体電極は電解質溶液に浸漬された状態で使用するので、導電性基板は、電解質溶液に対して耐食性を持つことが望ましい。また、光半導体電極を構成要素として含む光水素生成デバイスを建屋の屋上や架台などの上に設置することを想定すると、光半導体電極の構成の大部分を占める可能性がある導電性基板は、その重量が軽量であることも望ましい。導電性基板は、上記のような点を考慮しながらその材料が選択されることが望ましい。 The conductive substrate also supports the semiconductor layer and the reflectance increasing layer, and also plays a role of maintaining the shape of the optical semiconductor electrode. Therefore, the conductive substrate needs to have not only conductivity but also sufficient mechanical strength to support the semiconductor layer and the reflectance increasing layer and to maintain the shape as the optical semiconductor electrode. Moreover, since the photo semiconductor electrode is used in a state immersed in an electrolyte solution, it is desirable that the conductive substrate has corrosion resistance to the electrolyte solution. In addition, assuming that a photohydrogen generation device including a photo semiconductor electrode as a constituent element is installed on the roof of a building or a frame, a conductive substrate that may occupy most of the configuration of the photo semiconductor electrode is: It is also desirable that the weight be light. The material of the conductive substrate is preferably selected in consideration of the above points.
本開示者らは、以上のような鋭意研究の結果、照射された太陽光を効率的に水分解反応に利用することができる、以下の態様の光半導体電極に到達した。 As a result of intensive studies as described above, the present inventors have reached an optical semiconductor electrode of the following mode that can efficiently use irradiated sunlight for a water splitting reaction.
<本開示に係る一態様の概要>
本開示の第1の態様に係る光半導体電極は、
水を分解する光触媒作用を有し、かつその吸収端の波長が450nmよりも長波長側である半導体で形成されている半導体層と、
前記半導体層上に当該半導体層と接して配置されており、Ag及びAlからなる群から選択される少なくともいずれか1種の元素を含む金属材料で形成されている反射率増加層と、
前記反射率増加層上に配置されており、前記反射率増加層の前記金属材料よりも大きい引張強度を有する材料で形成されている導電性基板と、
を含む。
<Overview of one aspect according to the present disclosure>
An optical semiconductor electrode according to the first aspect of the present disclosure is provided.
A semiconductor layer formed of a semiconductor having a photocatalytic action of decomposing water and having a wavelength at the absorption edge longer than 450 nm;
A reflectance increasing layer disposed on the semiconductor layer in contact with the semiconductor layer and formed of a metal material containing at least one element selected from the group consisting of Ag and Al;
A conductive substrate disposed on the reflectivity increasing layer and formed of a material having a tensile strength greater than the metal material of the reflectivity increasing layer;
including.
第1の態様に係る光半導体電極には、半導体層と導電性基板との間に、半導体層に接して、Ag及びAlからなる群から選択される少なくともいずれか1種の元素を含む金属材料で形成された反射率増加層が配置されている。Ag及びAlの光学定数は、図4A及び図4Bに示すとおりである。図4Bに示すように、Ag及びAlは、500〜800nmの波長領域において消光係数kが3以上となっている。さらに、図4Aに示すように、Ag及びAlは、500〜800nmの波長領域において屈折率nが3以下の波長域を含んでいる。このような光学定数を有するAg及びAlからなる群から選択される少なくともいずれか1種の元素を含む金属材料によって形成されている反射率増加層は、水を分解する光触媒作用を有し、かつその吸収端の波長が450nmよりも長波長側である半導体で形成されている半導体層との界面で、高い反射率を実現することができる。したがって、第1の態様に係る光半導体電極では、太陽光に含まれる光子数が多い波長領域の光について、半導体層を透過した光が半導体層と反射率増加層との界面で高い割合で反射され、反射された光は再び半導体層に進入して半導体層で吸収される。その結果、半導体層で吸収される光子数が増加する。このように、第1の態様に係る光半導体電極によれば、半導体層の厚さを増加させることなく、半導体層が吸収できる光子数を増加させることができるので、照射された太陽光を効率的に水分解反応に利用することができる。 The optical semiconductor electrode according to the first aspect includes a metal material containing at least one element selected from the group consisting of Ag and Al in contact with the semiconductor layer between the semiconductor layer and the conductive substrate The reflectance increasing layer formed in (1) is disposed. The optical constants of Ag and Al are as shown in FIGS. 4A and 4B. As shown in FIG. 4B, Ag and Al have an extinction coefficient k of 3 or more in a wavelength region of 500 to 800 nm. Furthermore, as shown to FIG. 4A, Ag and Al contain the wavelength range whose refractive index n is 3 or less in the wavelength range of 500-800 nm. The reflectance increasing layer formed of a metal material containing at least one element selected from the group consisting of Ag and Al having such an optical constant has a photocatalytic action for decomposing water, and A high reflectance can be realized at the interface with a semiconductor layer formed of a semiconductor whose absorption edge has a wavelength longer than 450 nm. Therefore, in the optical semiconductor electrode according to the first aspect, the light transmitted through the semiconductor layer is reflected at a high rate at the interface between the semiconductor layer and the reflectivity increasing layer with respect to light in the wavelength region containing a large number of photons contained in sunlight. The reflected light again enters the semiconductor layer and is absorbed by the semiconductor layer. As a result, the number of photons absorbed by the semiconductor layer increases. As described above, according to the optical semiconductor electrode according to the first aspect, the number of photons that can be absorbed by the semiconductor layer can be increased without increasing the thickness of the semiconductor layer. Therefore, it can be used for water splitting reaction.
さらに、反射率増加層はAg及びAlからなる群から選択される少なくともいずれか1種の元素を含む金属材料で形成されているので、半導体層で形成された電子が導電性基板まで移動することを妨げない。また、Agの仕事関数は4.26eVであり、Alの仕事関数は4.28eVである。このように、Ag及びAlの仕事関数は比較的小さい。したがって、反射率増加層は、半導体層を構成する半導体がn型半導体である場合には、オーミック接合を形成しやすいという利点も有する。 Furthermore, since the reflectance increasing layer is made of a metal material containing at least one element selected from the group consisting of Ag and Al, the electrons formed in the semiconductor layer move to the conductive substrate. Not disturb. The work function of Ag is 4.26 eV, and the work function of Al is 4.28 eV. Thus, the work functions of Ag and Al are relatively small. Therefore, the reflectance increasing layer also has an advantage that an ohmic junction is easily formed when the semiconductor constituting the semiconductor layer is an n-type semiconductor.
なお、Agを光半導体電極の構成要素として用いるには非常にコストが高まることが懸念される。しかし、反射率増加層は、半導体層との界面での高い反射率を実現することを目的として設けられる層であるため、その厚さは特には限定されず、非常に薄くても問題ない。したがって、半導体層と導電性基板との間に設けられる反射率増加層にAgを含む材料が用いられたとしても、コストの増加を抑えながら反射率を高める効果を十分に得ることができる。また、Agは酸化雰囲気により表面が酸化され反射率が低下してしまうなどの懸念があるが、Agに他の金属元素を合金化することにより耐食性を向上させることも可能であるため、用いるプロセスに応じて合金を用いてもよい。Agを合金化する際に用いられる元素としては、例えばAu及びCuなどが挙げられる。 In addition, there is a concern that the use of Ag as a constituent element of the optical semiconductor electrode is very expensive. However, since the reflectance increasing layer is a layer provided for the purpose of realizing a high reflectance at the interface with the semiconductor layer, the thickness thereof is not particularly limited, and there is no problem even if it is very thin. Therefore, even when a material containing Ag is used for the reflectance increasing layer provided between the semiconductor layer and the conductive substrate, an effect of increasing the reflectance while suppressing an increase in cost can be sufficiently obtained. Further, Ag has a concern that the surface is oxidized by an oxidizing atmosphere and the reflectivity is lowered. However, the corrosion resistance can be improved by alloying Ag with another metal element, and therefore, the process to be used. Depending on the, an alloy may be used. Examples of elements used when alloying Ag include Au and Cu.
導電性基板と反射率増加層とは互いに異なる材料で形成されており、導電性基板の材料が反射率増加層の材料よりも大きい引張強度を有している。したがって、導電性基板は高い強度を有することができ、その結果、光半導体電極の強度向上も可能となる。なお、ここでの導電性基板の材料及び反射率増加層の材料の引張強度とは、JIS Z 2241に準拠して求められる引張強度である。 The conductive substrate and the reflectance increasing layer are formed of different materials, and the material of the conductive substrate has a higher tensile strength than the material of the reflectance increasing layer. Therefore, the conductive substrate can have high strength, and as a result, the strength of the optical semiconductor electrode can be improved. Here, the tensile strength of the material of the conductive substrate and the material of the reflectivity increasing layer is the tensile strength obtained in accordance with JIS Z 2241.
第2の態様において、例えば、第1の態様に係る光半導体電極では、前記導電性基板が、チタン金属(Ti)及びステンレス鋼(SUS)からなる群から選択される少なくともいずれか1種を含んでいてもよい。 In the second aspect, for example, in the optical semiconductor electrode according to the first aspect, the conductive substrate includes at least one selected from the group consisting of titanium metal (Ti) and stainless steel (SUS). You may go out.
Ti及びSUSは、高い機械的強度を有し、かつ電解質溶液に浸漬された場合でも腐食しにくく、さらに比較的軽量である。したがって、Ti及び/又はSUSを含む材料によって形成されている導電性基板は、半導体層及び反射率増加層を支持し、かつ電極としての形状を維持するために十分な機械的強度を有する。さらに、このような導電性基板は電解質溶液に対する耐食性も有するので、光半導体電極が電解質溶液に浸漬された状態で使用される場合でも、光半導体電極の高い信頼性及び安定性を維持できる。また、導電性基板の軽量化も可能となるため、光半導体電極を構成要素として含むデバイスを建屋の屋上や架台などの上に設置する際にも問題が生じにくい。 Ti and SUS have high mechanical strength, are not easily corroded even when immersed in an electrolyte solution, and are relatively light. Therefore, the conductive substrate formed of a material containing Ti and / or SUS has sufficient mechanical strength to support the semiconductor layer and the reflectance increasing layer and maintain the shape as an electrode. Furthermore, since such a conductive substrate also has corrosion resistance to the electrolyte solution, high reliability and stability of the optical semiconductor electrode can be maintained even when the optical semiconductor electrode is used while being immersed in the electrolytic solution. In addition, since the conductive substrate can be reduced in weight, problems are unlikely to occur when a device including an optical semiconductor electrode as a constituent element is installed on a rooftop of a building or a mount.
第3の態様において、例えば、第1又は第2の態様に係る光半導体電極では、前記半導体が酸窒化ニオブ(NbON)であってもよい。 In the third aspect, for example, in the optical semiconductor electrode according to the first or second aspect, the semiconductor may be niobium oxynitride (NbON).
NbONの吸収端波長は、600nm程度である。したがってNbONは、可視領域の波長の光まで利用することができる半導体であって、さらにそのバンド構造が水分解に適した光触媒作用を有する。このように、NbONは水分解用の光触媒として有望な半導体材料である。しかしながら、NbONの光学定数に関する報告例はこれまでにないため、NbONを半導体層に用いた場合には、界面での高い反射率を実現する光学定数を有する反射率増加層の材料に何を用いればよいか決定することができない、という課題があった。 The absorption edge wavelength of NbON is about 600 nm. Therefore, NbON is a semiconductor that can use even light with a wavelength in the visible region, and its band structure has a photocatalytic action suitable for water decomposition. Thus, NbON is a promising semiconductor material as a photocatalyst for water splitting. However, since there has been no report on the optical constant of NbON so far, when NbON is used for the semiconductor layer, what is used for the material of the reflectance increasing layer having an optical constant that realizes a high reflectance at the interface? There was a problem that it was not possible to decide whether it should be done.
上記課題に対し、本開示者らは、NbONの光学定数を取得することから試みなければならなかった。本開示者らは、以下の方法でNbONの薄膜を作製し、分光エリプソメトリーによる測定からNbONの光学定数(屈折率n、消光係数k)の波長分散を実測することを試みた。 In order to solve the above problem, the present inventors had to try from obtaining the optical constant of NbON. The present inventors made a thin film of NbON by the following method, and attempted to actually measure the chromatic dispersion of the optical constant (refractive index n, extinction coefficient k) of NbON from the measurement by spectroscopic ellipsometry.
(NbON薄膜の作製)
反応性スパッタ法により、NbON薄膜をTiO2(101)基板上に2段階成膜法を用いてエピタキシャル成膜した。これにより、図5に示すような、TiO2基板3上に、NbONシード層4及びNbON本成長層5が順に配置された薄膜試料を作製した。具体的には、まず、TiO2(101)基板上に650℃で厚さ約20nmのNbONシード層4を作製した。得られたNbONシード層4は、良好にエピタキシャル成長した薄膜であった。次に、NbONシード層4を下地として、その上に500℃でNbON本成長層5の成膜を行った。この製法により得られたNbON薄膜は、Nbの還元防止とNbONのエピタキシャル成長とを両立した高品質な膜であった。
(Preparation of NbON thin film)
An NbON thin film was epitaxially formed on a TiO 2 (101) substrate by a reactive sputtering method using a two-step film forming method. Thus, a thin film sample in which the
(分光エリプソメトリーによる光学定数の測定)
分光エリプソメトリーは、薄膜試料に入射された光について、試料での光反射による偏光状態の変化を測定することにより光学定数(n:屈折率、k:消光係数)、及び、薄膜構造を解析する手法である。図6Aに、入射角を、65°、70°、75°とした測定から得られたPsi(ψ)及びDelta(Δ)の結果を示し、図6Bに作成した光学モデルからのデータを示す。図6Aに示す実測データと図6Bに示す光学モデルのデータとフィッティングすると、今回作成した光学モデルは、いずれの入射角においてもψ及びΔを精度良くフィッティング可能であることが分かった(フィッティングの精度を示す指標であるMSEの値は4.167であった。)。また、作成した光学モデルから得られた、NbONシード層4及びNbON本成長層5の膜厚は、それぞれ、12nm及び60nmであり、成膜レートから想定される膜厚とほぼ一致した。以上より、今回作成した光学モデルでは、NbONシード層4とNbON本成長層5とをいずれも正確にモデル化できていると判断した。NbON本成長層5の光学モデルから得られた、NbONの光学定数(n:屈折率、k:消光係数)の波長分散を図7に示す。図7より、半導体層にNbONを用いた際に吸収する光子数を増加するために重要な500〜600nmの波長領域における、NbONの屈折率と代表的な各種導電体材料の光学定数とを表3に示す。表3を元に各導電体材料の上にNbONを積層した場合の、NbONと導電体との界面での反射率を計算した結果を表4及び図8に示す。この結果によると、Ag及び/又はAlを用いることで高い反射率が得られることが分かり、特にAgを用いるのがよいということが判明した。
(Measurement of optical constants by spectroscopic ellipsometry)
Spectroscopic ellipsometry analyzes the optical constant (n: refractive index, k: extinction coefficient) and thin film structure by measuring the change in the polarization state of the light incident on the thin film sample due to light reflection at the sample. It is a technique. FIG. 6A shows the results of Psi (ψ) and Delta (Δ) obtained from the measurements with the incident angles being 65 °, 70 °, and 75 °, and FIG. 6B shows data from the created optical model. When fitting with the actual measurement data shown in FIG. 6A and the optical model data shown in FIG. 6B, it was found that the optical model created this time can accurately fit ψ and Δ at any incident angle (fitting accuracy) The value of MSE, which is an index indicating the value, was 4.167.) Moreover, the film thicknesses of the
以上のように、NbONの光学定数を初めて明らかにすることで、NbONで形成された半導体層で吸収できる光子数を最大化するための構造設計が可能となった。その結果、本開示者らは、NbONで形成された半導体層を、Ag及びAlからなる群から選択される少なくともいずれか1種の元素を含む金属材料で形成されている反射率増加層と組み合せた、第2の態様に係る光半導体電極に到達することができた。第2の態様に係る光半導体電極は、NbONを半導体層に用いる場合に半導体層に吸収される光子数を増加させるための重要な波長域である500〜600nmの波長領域において、半導体層と反射率増加層との界面の反射率を例えば78%以上にまで高めることも可能となる。したがって、第2の態様に係る光半導体電極によれば、半導体層が吸収できる光子数を増加させることができるので、照射された太陽光を効率的に水分解反応に利用することができる。また、Nb系化合物は比較的低コストであるため工業的利用に適している。したがって、第2の態様に係る光半導体電極によれば、低コスト化も可能となる。 As described above, by clarifying the optical constant of NbON for the first time, it is possible to design a structure for maximizing the number of photons that can be absorbed by the semiconductor layer formed of NbON. As a result, the present inventors have combined a semiconductor layer formed of NbON with a reflectance increasing layer formed of a metal material containing at least one element selected from the group consisting of Ag and Al. Moreover, the optical semiconductor electrode according to the second aspect could be reached. The optical semiconductor electrode according to the second aspect is a semiconductor layer and a reflective layer in a wavelength region of 500 to 600 nm, which is an important wavelength region for increasing the number of photons absorbed in the semiconductor layer when NbON is used for the semiconductor layer. It is also possible to increase the reflectance at the interface with the rate increasing layer to 78% or more, for example. Therefore, according to the optical semiconductor electrode which concerns on a 2nd aspect, since the number of photons which a semiconductor layer can absorb can be increased, the irradiated sunlight can be utilized efficiently for a water splitting reaction. Nb-based compounds are suitable for industrial use because of their relatively low cost. Therefore, the optical semiconductor electrode according to the second aspect can reduce the cost.
第4の態様において、例えば、第1〜第3の態様のいずれか1つの態様に係る光半導体電極では、前記金属材料が、Agの単体、Alの単体、Ag元素を含む合金及びAl元素を含む合金からなる群から選択される少なくともいずれか1種であってもよい。 In the fourth aspect, for example, in the optical semiconductor electrode according to any one of the first to third aspects, the metal material includes a simple substance of Ag, a simple substance of Al, an alloy containing an Ag element, and an Al element. It may be at least one selected from the group consisting of alloys.
第4の態様に係る光半導体電極によれば、半導体層と反射率増加層との界面における反射率を向上させて半導体層に吸収される光子数を増加させると共に、反射率増加層の耐食性向上及び低コスト化等のさらなる要求も実現することが可能となる。 According to the optical semiconductor electrode according to the fourth aspect, the reflectance at the interface between the semiconductor layer and the reflectance increasing layer is improved to increase the number of photons absorbed in the semiconductor layer, and the corrosion resistance of the reflectance increasing layer is improved. Further demands such as cost reduction can also be realized.
第5の態様において、例えば、第4の態様に係る光半導体電極では、前記金属材料が、Agの単体及びAg元素を含む合金からなる群から選択される少なくともいずれか1種であってもよい。 In the fifth aspect, for example, in the optical semiconductor electrode according to the fourth aspect, the metal material may be at least one selected from the group consisting of a simple substance of Ag and an alloy containing an Ag element. .
第5の態様に係る光半導体電極によれば、半導体層と反射率増加層との界面における反射率を向上させて半導体層に吸収される光子数を増加させると共に、反射率増加層の耐食性向上や低コスト化等のさらなる要求も実現することが可能となる。 According to the optical semiconductor electrode according to the fifth aspect, the reflectance at the interface between the semiconductor layer and the reflectance increasing layer is improved to increase the number of photons absorbed in the semiconductor layer, and the corrosion resistance of the reflectance increasing layer is improved. Further demands such as cost reduction can also be realized.
第6の態様において、例えば、第1〜第5の態様のいずれか1つの態様に係る光半導体電極では、前記反射率増加層の厚さが、前記導電性基板の厚さよりも小さくてもよい。 In the sixth aspect, for example, in the optical semiconductor electrode according to any one of the first to fifth aspects, the thickness of the reflectance increasing layer may be smaller than the thickness of the conductive substrate. .
第6の態様に係る光半導体電極によれば、反射率増加層を設けることによるコストの増加及び電極全体の厚さの増加を小さく抑えつつ、半導体層と反射率増加層との界面の反射率を増加させて、照射された太陽光を効率的に水分解反応に利用することができる。 According to the optical semiconductor electrode according to the sixth aspect, the reflectance at the interface between the semiconductor layer and the reflectance increasing layer is suppressed while suppressing an increase in cost due to the provision of the reflectance increasing layer and an increase in the thickness of the entire electrode. The irradiated sunlight can be efficiently used for the water splitting reaction.
第7の態様において、例えば、第1〜第6の態様のいずれか1つの態様に係る光半導体電極では、前記反射率増加層の厚さが、前記半導体層の厚さよりも小さくてもよい。 In the seventh aspect, for example, in the optical semiconductor electrode according to any one of the first to sixth aspects, the thickness of the reflectance increasing layer may be smaller than the thickness of the semiconductor layer.
第7の態様に係る光半導体電極によれば、反射率増加層を設けることによるコストの増加及び電極全体の厚さの増加を小さく抑えつつ、半導体層と反射率増加層との界面の反射率を増加させて、照射された太陽光を効率的に水分解反応に利用することができる。 According to the optical semiconductor electrode according to the seventh aspect, the reflectance at the interface between the semiconductor layer and the reflectance increasing layer is suppressed while suppressing an increase in cost due to the provision of the reflectance increasing layer and an increase in the thickness of the entire electrode. The irradiated sunlight can be efficiently used for the water splitting reaction.
第8の態様において、例えば、第1〜第7の態様のいずれか1つの態様に係る光半導体電極では、前記導電性基板の厚さに対する前記反射率増加層の厚さの比率(前記反射率増加層の厚さ/前記導電性基板の厚さ)が、1×10-5〜1×10-2であってもよい。 In the eighth aspect, for example, in the optical semiconductor electrode according to any one of the first to seventh aspects, the ratio of the thickness of the reflectance increasing layer to the thickness of the conductive substrate (the reflectance The thickness of the increasing layer / the thickness of the conductive substrate may be 1 × 10 −5 to 1 × 10 −2 .
第8の態様に係る光半導体電極によれば、反射率増加層を設けることによるコストの増加を小さく抑えつつ、半導体層と反射率増加層との界面の反射率を増加させて、照射された太陽光を効率的に水分解反応に利用することができる。 According to the optical semiconductor electrode according to the eighth aspect, irradiation is performed while increasing the reflectance at the interface between the semiconductor layer and the reflectance increasing layer while suppressing the increase in cost due to the provision of the reflectance increasing layer. Sunlight can be efficiently used for the water splitting reaction.
第9の態様において、例えば、第1〜第8の態様のいずれか1つの態様に係る光半導体電極では、前記反射率増加層の厚さが10〜1000nmであってもよい。 In the ninth aspect, for example, in the optical semiconductor electrode according to any one of the first to eighth aspects, the reflectance increasing layer may have a thickness of 10 to 1000 nm.
第9の態様に係る光半導体電極によれば、反射率増加層を設けることによるコストの増加を小さく抑えつつ、半導体層と反射率増加層との界面の反射率を増加させて、照射された太陽光を効率的に水分解反応に利用することができる。 According to the optical semiconductor electrode according to the ninth aspect, irradiation is performed while increasing the reflectivity at the interface between the semiconductor layer and the reflectivity increasing layer while suppressing the increase in cost due to the provision of the reflectivity increasing layer. Sunlight can be efficiently used for the water splitting reaction.
本開示の第10の態様に係る光電気化学セルは、第1〜第9の態様のいずれか1つの態様に係る光半導体電極と、前記光半導体電極の前記導電性基板と電気的に接続された対極と、前記光半導体電極及び前記対極を収容する容器と、を備える。 A photoelectrochemical cell according to a tenth aspect of the present disclosure is electrically connected to the optical semiconductor electrode according to any one of the first to ninth aspects and the conductive substrate of the optical semiconductor electrode. A counter electrode, and a container for accommodating the optical semiconductor electrode and the counter electrode.
第10の態様に係る光電気化学セルは、第1〜第9の態様のいずれか1つの態様に係る光半導体電極を備えているので、照射された太陽光を効率的に水分解反応に利用することができる。 Since the photoelectrochemical cell according to the tenth aspect includes the photo-semiconductor electrode according to any one of the first to ninth aspects, the irradiated sunlight is efficiently used for the water splitting reaction. can do.
第11の態様において、例えば、第10の態様に係る光電気化学セルは、前記容器内に収容され、かつ前記光半導体電極及び前記対極の表面と接触する、水を含む電解質溶液をさらに備えていてもよい。 In the eleventh aspect, for example, the photoelectrochemical cell according to the tenth aspect further includes an electrolyte solution containing water that is accommodated in the container and is in contact with the surface of the photo-semiconductor electrode and the counter electrode. May be.
第11の態様に係る光電気化学セルは、照射された太陽光を効率的に水分解反応に利用することができる。 The photoelectrochemical cell which concerns on an 11th aspect can utilize the irradiated sunlight efficiently for a water splitting reaction.
<実施形態>
以下、本開示の光半導体電極及び光電気化学セルの実施形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態は一例であり、本開示は以下の形態に限定されない。
<Embodiment>
Hereinafter, embodiments of the optical semiconductor electrode and the photoelectrochemical cell of the present disclosure will be described in detail. In addition, the following embodiment is an example and this indication is not limited to the following forms.
(実施形態1)
本開示の光半導体電極の一実施形態について説明する。
(Embodiment 1)
One embodiment of the optical semiconductor electrode of the present disclosure will be described.
図9は、本実施形態の光半導体電極の一例を示す断面図である。図9に示す光半導体電極100は、半導体層103と、半導体層103上に当該半導体層103と接して配置されている反射率増加層102と、反射率増加層102上に配置されている導電性基板101と、を含んでいる。なお、光半導体電極100は、設置される際にその上下は限定されない。したがって、換言すると、光半導体電極100は、導電性基板101と、導電性基板101上に配置された反射率増加層102と、反射率増加層102上に当該反射率増加層102に接して配置された半導体層103と、を含んでいる。光半導体電極100は、デバイスに設置された際に、導電性基板101に接続した導線104を介して対極(図示せず)と電気的に接続される。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of the optical semiconductor electrode of the present embodiment. An
導電性基板101を形成している材料は、反射率増加層102を形成している材料よりも大きい引張強度を有する。例えば、導電性基板101は、Ti及びSUSからなる群から選択される少なくともいずれか1種を含んでいることが望ましい。Ti及びSUSは、高い機械的強度を有し、かつ電解質溶液に浸漬された場合でも腐食しにくく、さらに比較的軽量である。したがって、Ti及び/又はSUSを含む材料によって形成されている導電性基板101は、導電性を有することに加えて、半導体層103及び反射率増加層102を支持し、かつ電極としての形状を維持するために十分な機械的強度も有する。さらに、導電性基板101は電解質溶液に対して耐食性を有するので、光半導体電極100が電解質溶液に浸漬された状態で使用される場合でも、光半導体電極100の高い信頼性及び安定性を維持できる。また、導電性基板101の軽量化も可能となるため、光半導体電極100を構成要素として含むデバイスを建屋の屋上や架台などの上に設置する際にも問題が生じにくい。
The material forming the
なお、導電性基板101は、Ti及びSUSからなる群から選択される少なくともいずれか1種のみから形成されていてもよい。ただし、その場合でも、導電性基板101は、Ti及びSUS以外の成分(例えば不純物として不可避に混入する成分等)を微量(例えば2質量%以下程度)に含んでいてもよい。換言すると、導電性基板101は、Ti及びSUSからなる群から選択される少なくともいずれか1種を例えば98質量%以上含んでいてもよい。
The
導電性基板101の厚さは、特には限定されない。導電性基板101に用いられる材料、さらに実現しようとする強度等に応じて、その厚さを適宜選択することができる。一例として、導電性基板101の厚さは、例えば0.1〜1mmとできる。
The thickness of the
半導体層103は、水を分解する光触媒作用を有し、かつその吸収端の波長が450nmよりも長波長側である半導体で形成されている。このような半導体の代表的なものとして、酸化鉄(Fe2O3)、酸化タングステン(WO3)、バナジン酸ビスマス(BiVO4)、窒化タンタル(Ta3N5)、酸窒化タンタル(TaON)及び酸窒化二オブ(NbON)等が挙げられる。これらの材料は、450nmよりも長波長側の吸収端波長を有する、可視領域の光を吸収できる光触媒であり、太陽光のうち多数の光子が含まれる波長領域の光を利用することが可能である。したがって、上記材料は、例えば二酸化チタン(TiO2)等の紫外線しか吸収できない光触媒と比較して、太陽光の利用効率を増加するために有望である。
The
半導体層103を形成する半導体として、上記材料の中でNbONが好適である。NbONの吸収端波長は600nm程度であり、NbONは太陽光のうち多数の光子が含まれる波長領域の光を効率良く利用することができる半導体であって、かつ、そのバンド構造が水分解に適した光触媒作用を有する。Fe2O3、WO3及びBiVO4等の場合、伝導帯の下端と価電子帯の上端が水の酸化還元準位を挟まないので外部バイアスなしに水分解反応が起こらないが、NbONのようにバンド位置が水の酸化還元準位を挟む場合、理論的には光照射のみで水分解反応を進行させることができる。また、Nb元素はTa元素に比べて低コストであるので、同程度の吸収端波長をもつTa3N5を使用する場合に比べ、電極コストを低減することができる。
Among the above materials, NbON is preferable as a semiconductor for forming the
半導体層103の厚さは、光励起により生成される光励起キャリアの拡散長程度に設定することが望ましい。半導体層103が厚すぎると、光励起により生成される光励起キャリアが電極表面に移動する前に再結合により消滅して、光励起されたキャリアの利用効率を高めることが難しくなる場合がある。一方、半導体層103が薄すぎると、半導体層103による光吸収量を増加させることが難しくなる場合がある。したがって、半導体層103の厚さは、例えば20nm以上1000nm以下が好ましい。
It is desirable to set the thickness of the
反射率増加層102は、半導体層103を一旦透過した光を、半導体層103と反射率増加層102との界面で反射させて再度半導体層103に進入させることを目的として設けられた層である。したがって、反射率増加層102は、特に太陽光のうち多数の光子が含まれる波長領域の光に対し、半導体層103との界面において高い反射率を実現する。
The
反射率増加層102は、Ag及びAlからなる群から選択される少なくともいずれか1種の元素を含む金属材料で形成されている。<本開示に係る一態様の概要>の欄で詳しく説明したとおり、Ag及びAlは、水を分解する光触媒作用を有し、かつその吸収端の波長が450nmよりも長波長側である半導体との界面で高い反射率を実現できる光学定数を有している。したがって、このような材料で形成された層は、半導体層103との界面で高い反射率を実現できる。上述のとおり、互いに異なる2つの物質(ここでは、半導体層103の材料と、反射率増加層102の材料)間の界面における反射率(R)は、以下の式(1)を用いて、界面を形成するこれらの物質の光学定数(屈折率と消光係数)の組合せで決定される。半導体層103と反射率増加層102との界面における反射率は、以下の式(1)を用い、n1を半導体層103を形成する半導体の屈折率、n2を反射率増加層102の材料の屈折率、k2を反射率増加層102の材料の消光係数、とすることで求めることができる。
The
なお、半導体層103の望ましい半導体として挙げられるNbONは、従来、その光学定数に関する報告例がなく、明らかではなかった。したがって、従来、NbONを用いて形成された半導体層と接した場合に界面で高い反射率を実現できる材料を選択することができなかった。しかし、本開示者らによって、NbONの光学定数が上述のとおり測定によって新たに求められ、さらに、Ag及びAlと組み合わせた場合にその界面で特に高い反射率を実現できることも確認された。したがって、反射率増加層102は、半導体層103がNbONで形成されている場合にも、半導体層103との界面で高い反射率を実現して半導体層103での光吸収量を大きく増加させることができる。なお、NbONの光学定数を求める方法、さらにAg及びAlとの界面で高い反射率を実現できることについては、<本開示に係る一態様の概要>の欄で詳しく説明したので、ここでは詳細な説明を省略する。
Note that NbON, which is cited as a desirable semiconductor of the
また、Ag及びAlからなる群から選択される少なくともいずれか1種の元素を含む金属材料は高い導電性を有するので、反射率増加層102は、半導体層103で形成された電子が導電性基板101まで移動することを妨げない。また、Ag及びAlの仕事関数は比較的小さいので、反射率増加層102は、半導体層103を構成する半導体がNbONのようなn型半導体である場合にはオーミック接合を形成しやすい。したがって、半導体層103から反射率増加層102への電子が移動しやすくなり、発生した電子が効率よく水分解反応に利用され得る。
In addition, since the metal material containing at least one element selected from the group consisting of Ag and Al has high conductivity, the
反射率増加層102の金属材料には、例えば、Agの単体、Alの単体、Ag元素を含む合金及びAl元素を含む合金からなる群から選択される少なくともいずれか1種を用いることができる。また、反射率増加層102の金属材料としてAgの単体及びAg元素を含む合金からなる群から選択される少なくともいずれか1種を用いれば、半導体層103との界面で特に高い反射率を得ることも可能である。
As the metal material of the
反射率増加層102は、半導体層103との界面において、半導体層103が導電性基板101と接して配置される場合に半導体層103と導電性基板101との界面で得られる反射率よりも高い反射率を実現する。したがって、反射率増加層102は、半導体層103との界面で目的する高い反射率が得られればよいため、それほど厚く形成する必要はない。反射率増加層102の厚さは、導電性基板101及び/又は半導体層103の厚さよりも小さくてよい。反射率増加層102は、導電性基板101の厚さに対する反射率増加層102の厚さの比率(反射率増加層の厚さ/導電性基板の厚さ)が、例えば1×10-5〜1×10-2であってもよい。また、反射率増加層102の厚さを、例えば10〜1000nmの範囲内としてもよい。
The
本実施形態の光半導体電極100は、上記構成を有することにより、半導体層103の厚さを増加させることなく、半導体層103が吸収できる光子数を増加させることができるので、照射された太陽光を効率的に水分解反応に利用することができる。
Since the
(実施形態2)
本開示の光電気化学セルの一実施形態について説明する。
(Embodiment 2)
One embodiment of the photoelectrochemical cell of the present disclosure will be described.
図10に、本実施形態の光電気化学セルの一例を示す。図10に示す光電気化学セル200は、実施形態1で説明した光半導体電極100と、対極210と、水を含む電解質溶液230と、光半導体電極100、対極210及び電解質溶液220を収容する容器220と、を備えている。
FIG. 10 shows an example of the photoelectrochemical cell of this embodiment. The
光半導体電極100は、実施形態1で説明したとおりであるため、ここでは詳細な説明を省略する。
Since the
容器220内において、光半導体電極100及び対極210は、その表面が電解質溶液230と接触するように配置されている。図10に示された光電気化学セル200では、容器220のうち、容器220内に配置された光半導体電極100の半導体層103と対向する部分(以下、光入射部221と略称する)は、太陽光等の光を透過させる材料で構成されている。すなわち、光電気化学セル200では、光半導体電極100は、半導体層103の表面から光が入射可能である向きで、容器220内に配置されている。
In the
光半導体電極100における導電性基板101と対極210とは、導線104により電気的に接続されている。なお、ここでの対極とは、光半導体電極との間で電解質溶液を介さずに電子の授受を行う電極のことを意味する。したがって、本実施形態における対極210は、光半導体電極100の導電性基板101と電気的に接続されていればよく、光半導体電極100との位置関係等は特に限定されない。例えば光半導体電極100の半導体層103を構成する半導体がn型半導体である場合、対極210は光半導体電極100から電解液230を介さずに電子を受け取る電極となる。対極210としては、過電圧の小さい材料を用いることが好ましい。例えば、Pt、Au、Ag、Fe、Niなど金属触媒を用いることで、対極210の活性が高まるので好ましい。
The
図10に示すように、光電気化学セル200は、さらにセパレータ240を備えていてもよい。容器220の内部は、セパレータ240によって、光半導体電極100が配置される側の領域と、対極210が配置される領域との2つの領域に分離されることができる。電解質溶液230は、両方の領域内に収容されている。容器220には、光半導体電極100が配置されている領域内で発生した気体を排気するための排気口222と、対極210が配置されている領域内で発生した気体を排気するための排気口223とを備えている。容器220は、さらに、容器220の内部に水を供給するための給水口224も備えている。
As shown in FIG. 10, the
電解質溶液230は、特には限定されず、水を含んでいればよい。なお、電解液230は、酸性であってもアルカリ性であってもよい。また、電解質溶液230の代わりに、固体電解質を用いることも可能である。
The
次に、光半導体電極100及び光電気化学セル200の動作を説明する。なお、ここでは、光半導体電極100の半導体層103がNbON等のn型半導体で形成されている場合を例に挙げて説明する。
Next, operations of the
光電気化学セル200における容器220の光入射部221から、容器220内に収容され、かつ電解質溶液230に接している光半導体電極100に太陽光が入射すると、半導体層103中の半導体において、伝導帯に電子が、価電子帯に正孔が生じる。このとき生じた正孔は、電解質溶液230との接触で生じた空乏層によるバンドベンディングにより、半導体層103の表面に移動する。半導体層103の表面では、下記式(2)により水が分解されて、酸素が発生する。一方、電子は、上記バンドベンディングにより導電性基板101まで移動し、導線104を経由して対極210に到る。対極210では、下記式(3)により水素が発生する。
When sunlight is incident on the
4h++2H2O→O2↑+4H+ …(2)
4e-+4H+→2H2↑ …(3)
4h + + 2H 2 O → O 2 ↑ + 4H + (2)
4e − + 4H + → 2H 2 ↑ (3)
発生した水素及び酸素は、容器内のセパレータ240で分離され、排気口222より酸素が、排気口223より水素が排出される。また、分解される水は、給水口224より容器220の内部に供給される。
The generated hydrogen and oxygen are separated by the
光半導体電極100は、実施形態1で説明したとおり、照射された太陽光を効率的に水分解反応に利用することができる。したがって、光半導体電極100を備えた光電気化学セル200は、照射された太陽光を効率的に水分解反応に利用することができる。
As described in the first embodiment, the
なお、光電気化学セル200における光半導体電極100以外の他の構成、例えば対極210、容器220及びセパレータ240等は、特には限定されず、水を分解して水素等のガスを発生させる光電気化学セルにおいて用いられる公知の容器、導線及び分離膜等を適宜用いることができる。
Other configurations other than the photo-
以下に、本開示の光半導体電極の具体例を説明する。 Hereinafter, specific examples of the optical semiconductor electrode of the present disclosure will be described.
(第1の例)
第1の例の光半導体電極は、図9に示す構成と同じ構成を有する。基板101として、厚さ0.5mmのTi基板が用いる。Ti基板上に、反射率増加層102として、Agを蒸着法によって30nm程度の厚みで成膜する。続いて、得られたAg薄膜上に、光触媒であるNbONの前駆体として五酸化ニオブ(Nb2O5)を100nmの厚みで成膜する。Nb2O5薄膜の作製にはスパッタ法を用い、ターゲット材料としてNb2O5を用いる。なお、本例ではNb2O5薄膜の形成にスパッタ法を用いているが、当然この方法には限定されず、スピンコート法など大気圧下で低コストに成膜可能な方法を用いてもよい。以上より、Nb2O5/Ag/Tiの積層構造体が作製される。続いて、この積層構造体を直径約9cmのタンマン管炉(例えば株式会社モトヤマ製)内にセットし、アンモニア、酸素及び窒素の混合ガス流通下において、炉内を昇温速度100℃/hで室温から650℃まで昇温させる。その後、650℃で一時間保持した後、降温速度100℃/hで降温し、流入させたガスを反応ガスから窒素に変えて十分パージする。これによりNb2O5が窒化されてNbONが合成され、その結果、半導体層103としてのNbON薄膜が形成される。なお、本例ではNb酸化物を窒化処理してNbONを合成しているが、当然この方法には限定されず、反応性スパッタなど他の成膜方法を用いてもよい。
(First example)
The optical semiconductor electrode of the first example has the same configuration as that shown in FIG. As the
以上の方法で、NbON/Ag/Tiの積層構造体である光半導体電極が作製される。作製された光半導体電極では、NbONに対して適切な光学定数を有するAgからなる薄膜が反射増加層として設けられている。したがって、本例の光半導体電極は、NbON/Ag界面での反射率が高く、その結果、NbON薄膜がNbON/Ag界面で反射した光も吸収することができるので、NbON薄膜で吸収できる光子数が増加したものである。すなわち、本例の光半導体電極は、照射された太陽光を効率的に水分解反応に利用することができるものである。 The optical semiconductor electrode which is a laminated structure of NbON / Ag / Ti is produced by the above method. In the produced optical semiconductor electrode, a thin film made of Ag having an optical constant appropriate for NbON is provided as a reflection increasing layer. Therefore, the optical semiconductor electrode of this example has a high reflectance at the NbON / Ag interface, and as a result, the NbON thin film can also absorb the light reflected at the NbON / Ag interface, so the number of photons that can be absorbed by the NbON thin film Is an increase. That is, the photosemiconductor electrode of this example can efficiently use the irradiated sunlight for the water splitting reaction.
(第2の例)
第2の例では、第1の例の作製法において、Agの代わりにAg−Cu合金を用いて反射率増加層を作製する。この場合、Ag単相で形成される反射率増加層を用いるよりも耐酸化性が向上するので、NbONを形成するプロセスがAgを酸化してしまう雰囲気であっても、Agの酸化を抑制しつつ高い反射率を維持することが可能である。
(Second example)
In the second example, in the manufacturing method of the first example, the reflectance increasing layer is manufactured using an Ag—Cu alloy instead of Ag. In this case, since the oxidation resistance is improved as compared with the reflectance increasing layer formed of Ag single phase, the oxidation of Ag is suppressed even in an atmosphere where the process of forming NbON oxidizes Ag. However, it is possible to maintain a high reflectance.
(第3の例)
第3の例では、第1の例の作製法において、Agの代わりにAg−Au合金を用いて反射率増加層を作製する。この場合、Ag単相で形成される反射率増加層を用いるよりも耐酸化性が向上するので、NbONを形成するプロセスがAgを酸化してしまう雰囲気であっても、Agの酸化を抑制しつつ高い反射率を維持することが可能である。
(Third example)
In the third example, the reflectance increasing layer is manufactured using an Ag—Au alloy instead of Ag in the manufacturing method of the first example. In this case, since the oxidation resistance is improved as compared with the reflectance increasing layer formed of Ag single phase, the oxidation of Ag is suppressed even in an atmosphere where the process of forming NbON oxidizes Ag. However, it is possible to maintain a high reflectance.
本開示の光半導体電極は、太陽光を利用した水分解用電極として有用である。 The optical semiconductor electrode of the present disclosure is useful as an electrode for water splitting using sunlight.
100 光半導体電極
101 導電性基板
102 反射率増加層
103 半導体層
104 導線
200 光電気化学セル
210 対極
220 容器
221 光入射部
222,223 排気口
224 給水口
230 電解質溶液
240 セパレータ
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記半導体層上に当該半導体層と接して配置されており、Ag及びAlからなる群から選択される少なくともいずれか1種の元素を含む金属材料で形成されている反射率増加層と、
前記反射率増加層上に配置されており、前記反射率増加層の前記金属材料よりも大きい引張強度を有する材料で形成されている導電性基板と、
を含む、
光半導体電極。 A semiconductor layer formed of a semiconductor having a photocatalytic action of decomposing water and having a wavelength at the absorption edge longer than 450 nm;
A reflectance increasing layer disposed on the semiconductor layer in contact with the semiconductor layer and formed of a metal material containing at least one element selected from the group consisting of Ag and Al;
A conductive substrate disposed on the reflectivity increasing layer and formed of a material having a tensile strength greater than the metal material of the reflectivity increasing layer;
including,
Photo semiconductor electrode.
請求項1に記載の光半導体電極。 The conductive substrate includes at least one selected from the group consisting of titanium metal and stainless steel,
The optical semiconductor electrode according to claim 1.
請求項1又は2に記載の光半導体電極。 The semiconductor is niobium oxynitride (NbON);
The optical semiconductor electrode according to claim 1 or 2.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の光半導体電極。 The metal material is at least one selected from the group consisting of a simple substance of Ag, a simple substance of Al, an alloy containing an Ag element, and an alloy containing an Al element.
The optical-semiconductor electrode of any one of Claims 1-3.
請求項4に記載の光半導体電極。 The metal material is at least one selected from the group consisting of a simple substance of Ag and an alloy containing an Ag element.
The optical semiconductor electrode according to claim 4.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の光半導体電極。 The thickness of the reflectance increasing layer is smaller than the thickness of the conductive substrate;
The optical-semiconductor electrode of any one of Claims 1-5.
請求項1〜6のいずれか1項に記載の光半導体電極。 The thickness of the reflectance increasing layer is smaller than the thickness of the semiconductor layer;
The optical semiconductor electrode of any one of Claims 1-6.
請求項1〜7のいずれか1項に記載の光半導体電極。 The ratio of the thickness of the reflectivity increasing layer to the thickness of the conductive substrate (the thickness of the reflectivity increasing layer / the thickness of the conductive substrate) is 1 × 10 −5 to 1 × 10 −2 . is there,
The photo-semiconductor electrode of any one of Claims 1-7.
請求項1〜8のいずれか1項に記載の光半導体電極。 The thickness of the reflectance increasing layer is 10 to 1000 nm.
The optical semiconductor electrode according to claim 1.
前記光半導体電極の前記導電性基板と電気的に接続された対極と、
前記光半導体電極及び前記対極を収容する容器と、
を備えた光電気化学セル。 An optical semiconductor electrode according to any one of claims 1 to 9,
A counter electrode electrically connected to the conductive substrate of the optical semiconductor electrode;
A container for housing the optical semiconductor electrode and the counter electrode;
Photoelectrochemical cell equipped with.
請求項10に記載の光電気化学セル。 An electrolyte solution containing water, contained in the container, and in contact with the surface of the optical semiconductor electrode and the counter electrode;
The photoelectrochemical cell according to claim 10.
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JP2016157807A JP2018023940A (en) | 2016-08-10 | 2016-08-10 | Optical semiconductor electrode and optical electrochemical cell |
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- 2016-08-10 JP JP2016157807A patent/JP2018023940A/en active Pending
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