JP5830527B2 - Semiconductor device, hydrogen production system, and methane or methanol production system - Google Patents
Semiconductor device, hydrogen production system, and methane or methanol production system Download PDFInfo
- Publication number
- JP5830527B2 JP5830527B2 JP2013508619A JP2013508619A JP5830527B2 JP 5830527 B2 JP5830527 B2 JP 5830527B2 JP 2013508619 A JP2013508619 A JP 2013508619A JP 2013508619 A JP2013508619 A JP 2013508619A JP 5830527 B2 JP5830527 B2 JP 5830527B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- semiconductor
- semiconductor layer
- layer
- reaction
- electrode
- 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.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 187
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 72
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 44
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims description 35
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims description 35
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 33
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 23
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 110
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 55
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 55
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 47
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 32
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 21
- 239000011941 photocatalyst Substances 0.000 claims description 21
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 16
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 14
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 9
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 5
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 4
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims description 4
- QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N Copper oxide Chemical compound [Cu]=O QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000005751 Copper oxide Substances 0.000 claims description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910000431 copper oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910001925 ruthenium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(iv) oxide Chemical compound O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 3
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 2
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 claims description 2
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 87
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 32
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 25
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 19
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 18
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 17
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 description 11
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 10
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 9
- 239000000047 product Substances 0.000 description 9
- QGLKJKCYBOYXKC-UHFFFAOYSA-N nonaoxidotritungsten Chemical compound O=[W]1(=O)O[W](=O)(=O)O[W](=O)(=O)O1 QGLKJKCYBOYXKC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910001930 tungsten oxide Inorganic materials 0.000 description 8
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 7
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 7
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 description 7
- UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M Sodium bicarbonate Chemical compound [Na+].OC([O-])=O UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 6
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 6
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000004128 high performance liquid chromatography Methods 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 5
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 5
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 5
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 4
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 238000013032 photocatalytic reaction Methods 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 3
- 229910000030 sodium bicarbonate Inorganic materials 0.000 description 3
- 235000017557 sodium bicarbonate Nutrition 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- 229910005540 GaP Inorganic materials 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052781 Neptunium Inorganic materials 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Sodium Carbonate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 2
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 2
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 2
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- UIPVMGDJUWUZEI-UHFFFAOYSA-N copper;selanylideneindium Chemical compound [Cu].[In]=[Se] UIPVMGDJUWUZEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- HZXMRANICFIONG-UHFFFAOYSA-N gallium phosphide Chemical compound [Ga]#P HZXMRANICFIONG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 2
- LFNLGNPSGWYGGD-UHFFFAOYSA-N neptunium atom Chemical compound [Np] LFNLGNPSGWYGGD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002256 photodeposition Methods 0.000 description 2
- 230000001443 photoexcitation Effects 0.000 description 2
- BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L potassium carbonate Chemical compound [K+].[K+].[O-]C([O-])=O BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N potassium nitrate Chemical compound [K+].[O-][N+]([O-])=O FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 2
- 150000003346 selenoethers Chemical class 0.000 description 2
- 235000011121 sodium hydroxide Nutrition 0.000 description 2
- VWDWKYIASSYTQR-UHFFFAOYSA-N sodium nitrate Chemical compound [Na+].[O-][N+]([O-])=O VWDWKYIASSYTQR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011135 tin Substances 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- 239000011882 ultra-fine particle Substances 0.000 description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 2
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical compound [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 2
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M Bicarbonate Chemical compound OC([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 240000004050 Pentaglottis sempervirens Species 0.000 description 1
- 235000004522 Pentaglottis sempervirens Nutrition 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- UIIMBOGNXHQVGW-DEQYMQKBSA-M Sodium bicarbonate-14C Chemical compound [Na+].O[14C]([O-])=O UIIMBOGNXHQVGW-DEQYMQKBSA-M 0.000 description 1
- 229910000288 alkali metal carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000008041 alkali metal carbonates Chemical class 0.000 description 1
- 150000008044 alkali metal hydroxides Chemical class 0.000 description 1
- 150000004703 alkoxides Chemical class 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004577 artificial photosynthesis Methods 0.000 description 1
- 229910052980 cadmium sulfide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003426 co-catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000004817 gas chromatography Methods 0.000 description 1
- 238000002290 gas chromatography-mass spectrometry Methods 0.000 description 1
- 238000010574 gas phase reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 235000011167 hydrochloric acid Nutrition 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000004255 ion exchange chromatography Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011736 potassium bicarbonate Substances 0.000 description 1
- 229910000028 potassium bicarbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000015497 potassium bicarbonate Nutrition 0.000 description 1
- 229910000027 potassium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011181 potassium carbonates Nutrition 0.000 description 1
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 description 1
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 description 1
- TYJJADVDDVDEDZ-UHFFFAOYSA-M potassium hydrogencarbonate Chemical compound [K+].OC([O-])=O TYJJADVDDVDEDZ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 235000011118 potassium hydroxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000004323 potassium nitrate Substances 0.000 description 1
- 235000010333 potassium nitrate Nutrition 0.000 description 1
- OTYBMLCTZGSZBG-UHFFFAOYSA-L potassium sulfate Chemical compound [K+].[K+].[O-]S([O-])(=O)=O OTYBMLCTZGSZBG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910052939 potassium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011151 potassium sulphates Nutrition 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229920002050 silicone resin Polymers 0.000 description 1
- 229910000029 sodium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000017550 sodium carbonate Nutrition 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 239000004317 sodium nitrate Substances 0.000 description 1
- 235000010344 sodium nitrate Nutrition 0.000 description 1
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001631 strontium chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- AHBGXTDRMVNFER-UHFFFAOYSA-L strontium dichloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Sr+2] AHBGXTDRMVNFER-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/30—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
- B01J35/39—Photocatalytic properties
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
- C01B3/04—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of inorganic compounds, e.g. ammonia
- C01B3/042—Decomposition of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/50—Processes
- C25B1/55—Photoelectrolysis
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
- B01J21/06—Silicon, titanium, zirconium or hafnium; Oxides or hydroxides thereof
- B01J21/063—Titanium; Oxides or hydroxides thereof
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/16—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
- B01J23/24—Chromium, molybdenum or tungsten
- B01J23/30—Tungsten
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Catalysts (AREA)
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
Description
本発明は、光エネルギーに誘起される化学反応により、二酸化炭素を還元して燃料となる化合物を製造したり、水を分解して水素を製造したりするための半導体素子(光電気化学反応素子)に関する。 The present invention relates to a semiconductor element (photoelectrochemical reaction element) for producing a compound as a fuel by reducing carbon dioxide by a chemical reaction induced by light energy, or producing hydrogen by decomposing water. )
石油や石炭などの化石燃料資源は存在量が有限である。一方で、人間による化石燃料消費量が加速度的に増加し続けているため、化石燃料の枯渇が懸念されている。化石燃料代替エネルギー資源の開発の必要性が年々増大している。 Fossil fuel resources such as oil and coal have a finite amount. On the other hand, the consumption of fossil fuels by humans continues to increase at an accelerating rate, and there is concern about the depletion of fossil fuels. The need for the development of fossil fuel alternative energy resources is increasing year by year.
このような背景から、太陽光、太陽熱、風力、地熱などの再生可能エネルギーが注目を集めており、近年、太陽光発電、風力発電の本格普及が始まっている。 Against this background, renewable energies such as sunlight, solar heat, wind power, and geothermal heat have attracted attention, and in recent years, full-scale spread of solar power generation and wind power generation has begun.
水素は、燃焼により二酸化炭素を生成しないクリーンエネルギーとして価値がある。水素をエネルギー源とした社会の実現に向けて、水素製造技術、水素貯蔵および輸送技術の開発が行われている。太陽光を利用した光触媒反応による水の分解、あるいは、太陽電池の起電力を利用した水の電気分解は、化石燃料を消費せずに水素を製造できることから、実用化の期待が大きい。光触媒反応による水の分解反応、太陽電池による水の電気分解反応は、いずれも以下の反応式(1)によって表される。 Hydrogen is valuable as clean energy that does not produce carbon dioxide by combustion. Development of hydrogen production technology, hydrogen storage and transport technology is being carried out toward the realization of a society using hydrogen as an energy source. The decomposition of water by the photocatalytic reaction using sunlight or the electrolysis of water using the electromotive force of solar cells can produce hydrogen without consuming fossil fuel. Both the water decomposition reaction by the photocatalytic reaction and the water electrolysis reaction by the solar cell are represented by the following reaction formula (1).
H2O → H2 + 1/2 O2 (1)
光触媒では、触媒表面で反応式(1)の反応が起こるが、水の電気分解では、反応式(2)および反応式(3)に表されるように、カソード、アノードにおいて水素生成と酸素生成がそれぞれ別々に起こる。H 2 O → H 2 + 1/2 O 2 (1)
In the photocatalyst, the reaction of the reaction formula (1) occurs on the surface of the catalyst. In the electrolysis of water, as shown in the reaction formula (2) and the reaction formula (3), hydrogen generation and oxygen generation are performed at the cathode and the anode. Happens separately.
カソード: 2H+ + 2e- → H2 (2)
アノード: H2O → 1/2O2 + 2H+ + 2e- (3)
一方、地球温暖化の原因といわれている二酸化炭素を太陽光のエネルギーにより還元し、低コストで長期備蓄が可能な、メタン(反応式(4))やメタノール(反応式(5))などの燃料化合物を製造する人工光合成技術の実用化が望まれているが、反応効率の大幅な向上が課題となっている。The cathode: 2H + + 2e - → H 2 (2)
Anode: H 2 O → 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - (3)
On the other hand, such as methane (reaction formula (4)) and methanol (reaction formula (5)) that can reduce carbon dioxide, which is said to cause global warming, by solar energy, and can be stored for a long time at low cost. Although the practical use of artificial photosynthesis technology for producing fuel compounds is desired, significant improvement in reaction efficiency is a problem.
CO2 + 2H2O → CH4 + 2O2 (4)
CO2 + 2H2O → CH3OH + 3/2O2 (5)
太陽光による水の分解や二酸化炭素の還元を行う技術として、光触媒、電気分解、電気化学光電池、などが知られている。CO 2 + 2H 2 O → CH 4 + 2O 2 (4)
CO 2 + 2H 2 O → CH 3 OH + 3 / 2O 2 (5)
Photocatalysts, electrolysis, electrochemical photovoltaic cells, and the like are known as techniques for decomposing water and reducing carbon dioxide with sunlight.
光触媒は、バンドギャップ以上のエネルギーの光を吸収すると、価電子帯の電子が伝導帯に励起されることで還元力を有する電子と酸化力を有する正孔が生成し、生成した電子と正孔がそれぞれ水の分解や二酸化炭素の還元を引き起こすことができる。光触媒としては、酸化チタン、酸化タングステンなどが知られている。酸化チタンの表面に、白金助触媒を担持させると、反応速度が向上する。特開平6−126189号公報(特許文献1)には、酸化タンタル、酸化ジルコニウムを水溶液に懸濁し光照射下、水を分解して水素、酸素が得られることが記載されている。光触媒は、バンドギャップが大きいほど酸化還元反応力が強いと言えるが、一方ではエネルギーが大きい紫外光は反応に利用できるが、エネルギーが小さい可視光や近赤外を十分に利用できないという課題がある。また、光照射によって生成した電子・正孔対が再結合しやすいという課題もある。 When the photocatalyst absorbs light having energy greater than the band gap, electrons in the valence band are excited to the conduction band, thereby generating electrons having a reducing power and holes having an oxidizing power. Can cause water decomposition and carbon dioxide reduction, respectively. Known photocatalysts include titanium oxide and tungsten oxide. When a platinum promoter is supported on the surface of titanium oxide, the reaction rate is improved. JP-A-6-126189 (Patent Document 1) describes that tantalum oxide and zirconium oxide are suspended in an aqueous solution and water is decomposed under light irradiation to obtain hydrogen and oxygen. The photocatalyst can be said to have a stronger redox reaction force as the band gap is larger, but on the other hand, ultraviolet light with higher energy can be used for the reaction, but there is a problem that visible light and near infrared with low energy cannot be fully utilized. . Another problem is that electron-hole pairs generated by light irradiation are likely to recombine.
電気分解により水の分解や二酸化炭素の還元を行うことが可能であるが、系統電力を用いて電気分解を行う場合、化石燃料の消費を促進し、かつ、結果的に二酸化炭素を排出することになり、燃料製造方法としては望ましくない。そのため、例えば電力源に太陽電池を用いる方法が、特開2003−288955号公報(特許文献2)に記載されている。この公報には、アモルファスシリコンの太陽電池を積層することで水の分解反応に必要な起電力を得ると記載されている。しかし、この方法では紫外光を十分に利用することができない。また、多層の積層構造を作る必要があるために、プロセスが高コストであるという課題もある。 It is possible to decompose water and reduce carbon dioxide by electrolysis, but when electrolysis is performed using system power, the consumption of fossil fuel is promoted and carbon dioxide is discharged as a result. Therefore, it is not desirable as a fuel manufacturing method. Therefore, for example, a method using a solar cell as a power source is described in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-288955 (Patent Document 2). This publication describes that an electromotive force necessary for water decomposition reaction is obtained by stacking amorphous silicon solar cells. However, this method cannot fully utilize ultraviolet light. Moreover, since it is necessary to make a multilayered laminated structure, there is a problem that the process is expensive.
光電気化学セルは、半導体電極と金属電極から構成される回路を用いて半導体電極に光を照射する際に発生する電流を利用して酸化還元反応を行うものである。Nature 1972、238、37−38(非特許文献1)に、酸化チタン半導体電極と白金電極により水の分解を行ったという記載がある。半導体電極に発見者の名にちなんで「本多−藤嶋効果」として知られる。特開2003−238104号公報(特許文献3)には、「pn接合を有する太陽電池のp型半導体層の表面に、光照射により電子および正孔対を励起する光触媒層を形成したことを特徴とする水素生成用光素子」の記載がある。光電気化学セルでは、半導体電極と金属電極を別々に用意し、それらを、抵抗を介して配線する必要があり、システム体積が大きくなり、かつ、高価になるという課題がある。また、半導体電極で生成した電流を配線部へ取り出し、金属電極に送る際の電流損失が課題である。 The photoelectrochemical cell performs an oxidation-reduction reaction using a current generated when light is applied to a semiconductor electrode using a circuit composed of a semiconductor electrode and a metal electrode. In Nature 1972, 238, 37-38 (Non-Patent Document 1), there is a description that water was decomposed by a titanium oxide semiconductor electrode and a platinum electrode. The semiconductor electrode is known as the “Honda-Fujishima effect” after the discoverer. Japanese Patent Laid-Open No. 2003-238104 (Patent Document 3) is characterized in that a photocatalyst layer that excites electrons and hole pairs by light irradiation is formed on the surface of a p-type semiconductor layer of a solar cell having a pn junction. There is a description of "optical element for hydrogen generation". In the photoelectrochemical cell, it is necessary to prepare a semiconductor electrode and a metal electrode separately, and to wire them through a resistor, and there is a problem that the system volume increases and the cost increases. Another problem is current loss when the current generated in the semiconductor electrode is taken out to the wiring portion and sent to the metal electrode.
光触媒が主に紫外光しか利用できない課題に対し、特開平7−33697号公報(特許文献4)には、酸化チタン薄膜による光触媒反応を行う、溶液透明セルと太陽電池とを積層したメタノール合成装置の記載がある。この装置では、酸化チタンが利用しない、可視から近赤外の波長域の光を太陽電池の発電に使用できるので光の有効利用にはなっているが、太陽電池で生成した電力はメタノール合成に用いないので、メタノール合成反応の効率を向上させることが不可能であることが課題である。 In response to the problem that the photocatalyst can mainly use only ultraviolet light, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-33697 (Patent Document 4) discloses a methanol synthesis apparatus in which a solution transparent cell and a solar cell are stacked, which performs a photocatalytic reaction using a titanium oxide thin film. Is described. In this device, light in the visible to near-infrared wavelength region, which is not used by titanium oxide, can be used for power generation of solar cells, so light is effectively used, but the power generated by solar cells is used for methanol synthesis. Since it is not used, it is a problem that it is impossible to improve the efficiency of the methanol synthesis reaction.
本発明の目的は、太陽光利用を利用した二酸化炭素還元による燃料製造や、水分解による水素燃料製造において、より幅広い範囲の波長の光を利用できるようにし、安価な素子により、二酸化炭素の還元反応や、水分解水素生成反応の効率を向上させることである。 The object of the present invention is to make it possible to use light of a wider range of wavelengths in fuel production by carbon dioxide reduction using solar light and hydrogen fuel production by water splitting, and to reduce carbon dioxide with an inexpensive element. It is to improve the efficiency of the reaction and water splitting hydrogen production reaction.
電極層と、第1の半導体層と、互いに対向する第1及び第2の面を有し、第1の面に電極層が接して設けられ、第2の面に第1の半導体層が接して設けられる第2の半導体層とを有し、第1の半導体層の伝導帯の下端電位は水素生成電位よりも高く、第2の半導体層の価電子帯の上端電位は酸素生成電位よりも低く、第1の半導体層のバンドギャップは前記第2の半導体層のバンドギャップよりも大きい半導体素子とする。 An electrode layer, a first semiconductor layer, and a first surface and a second surface facing each other. The electrode layer is provided in contact with the first surface, and the first semiconductor layer is in contact with the second surface. The lower end potential of the conduction band of the first semiconductor layer is higher than the hydrogen generation potential, and the upper end potential of the valence band of the second semiconductor layer is higher than the oxygen generation potential. The first semiconductor layer has a lower band gap than that of the second semiconductor layer.
紫外線から可視、近赤外にわたる、幅広い波長域の光を利用可能となることから、太陽光利用を利用した二酸化炭素還元による燃料製造や、水分解による水素燃料製造の反応効率が改善される。 Since light in a wide wavelength range from ultraviolet to visible and near-infrared can be used, the reaction efficiency of fuel production by carbon dioxide reduction using sunlight and hydrogen fuel production by water splitting is improved.
本発明の半導体素子は、太陽光を利用した二酸化炭素還元による燃料製造や、水分解による水素燃料製造において、太陽光の利用効率向上、反応効率向上を達成しようとするものである。 The semiconductor device of the present invention is intended to achieve improved utilization efficiency of solar light and improved reaction efficiency in fuel production by carbon dioxide reduction using sunlight and hydrogen fuel production by water splitting.
まず、太陽光を利用した二酸化炭素還元による燃料製造や水分解による水素燃料製造の原理を説明する。 First, the principle of fuel production by carbon dioxide reduction using sunlight and hydrogen fuel production by water splitting will be described.
水を電気的に分解するには、1.23Vの起電力が必要である。水の電気分解反応式は、以下の反応式(2)および反応式(3)によって表される。
カソード: 2H+ + 2e− → H2 (2)
アノード: H2O → 1/2O2 + 2H+ + 2e− (3)
一般的に、カソードにおける水素発生反応の電位は標準水素電極電位と定義され、0Vと決められている。図5は、半導体を用いた、水の電気分解反応をエネルギーダイアグラムで示したものである。半導体に光(hν)が当たると価電子帯114の電子が励起され、伝導帯112へ移る。これにより、電子111−正孔115の対が生成する。電子111はカソード反応に使われて水素を生成し、正孔115はアノード反応に使われて水から電子を引き抜き、酸素を生成する。このような反応が起こるためには、価電子帯114の上端電位が酸素生成電位より高く、伝導体112の下端電位が水素生成電位より低いことが必要である。To electrolyze water, an electromotive force of 1.23 V is required. The water electrolysis reaction formula is represented by the following reaction formula (2) and reaction formula (3).
Cathode: 2H + + 2e − → H 2 (2)
Anode: H 2 O → 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - (3)
Generally, the potential of the hydrogen generation reaction at the cathode is defined as the standard hydrogen electrode potential and is determined to be 0V. FIG. 5 is an energy diagram showing water electrolysis using a semiconductor. When light (hν) strikes the semiconductor, electrons in the
図6は、pH7における、いくつかの半導体光触媒材料のバンドギャップと水の電気分解電位との相対関係を示すものである。図6から理解できるように、半導体の光励起によって水の分解反応を行うためには、バンドギャップが大きいほうが有利である。ただし、バンドギャップが大きい半導体に対して光励起を生じさせるには高いエネルギーが必要となり、酸化チタン(TiO2)の場合、波長413nm以上の光を利用できない。なお、pH0の時の水素生成電位は0V(vs. SHE)、酸素生成電位は、1.23V(vs. SHE)である。FIG. 6 shows the relative relationship between the band gap of several semiconductor photocatalyst materials and the electrolysis potential of water at pH7. As can be understood from FIG. 6, it is advantageous that the band gap is larger in order to perform the water decomposition reaction by photoexcitation of the semiconductor. However, high energy is required to generate photoexcitation for a semiconductor having a large band gap, and in the case of titanium oxide (TiO 2 ), light having a wavelength of 413 nm or more cannot be used. Note that the hydrogen generation potential at pH 0 is 0 V (vs. SHE), and the oxygen generation potential is 1.23 V (vs. SHE).
次に、二酸化炭素の還元反応についても述べる。二酸化炭素は多電子還元反応により分解される。複数の還元生成物が知られており、還元電位が異なっている。反応式(4’)、反応式(5’)は、燃料として有望な還元生成物であるメタンおよびメタノールの生成反応式である。
メタン :CO2 + 8e- + 8H+ → CH4 + 2H2O (4’)
メタノール: CO2 + 6e- + 6H+ → CH3OH + H2O (5’)
メタン生成の反応電位は−0.24V(vs. SHE)、メタノール生成の反応電位は−0.38V(vs. SHE)である。Next, the reduction reaction of carbon dioxide is also described. Carbon dioxide is decomposed by a multi-electron reduction reaction. Several reduction products are known and the reduction potentials are different. Reaction formula (4 ′) and reaction formula (5 ′) are production reaction formulas of methane and methanol, which are promising reduction products as fuel.
Methane: CO 2 + 8e - + 8H + → CH 4 + 2H 2 O (4 ')
Methanol: CO 2 + 6e − + 6H + → CH 3 OH + H 2 O (5 ′)
The reaction potential for methane formation is -0.24 V (vs. SHE), and the reaction potential for methanol formation is -0.38 V (vs. SHE).
本発明の半導体素子は、主に紫外光を利用する、バンドギャップが大きい半導体層と、主に可視光を利用する、バンドギャップが小さい半導体層とを積層したヘテロ構造を採用することにより、幅広い波長域の光を利用可能にするものである。ヘテロ構造を構成する半導体のうち、ワイドギャップ半導体は、太陽光の入射側に配置され、その奥に狭ギャップ半導体、さらには、電極が順に配置される。外部電源や配線、半導体とは独立した電極は不要であり、簡素な構成で使用可能であることから、低コストな燃料製造システムを構築可能である。 The semiconductor element of the present invention has a wide range by adopting a heterostructure in which a semiconductor layer mainly using ultraviolet light and having a large band gap and a semiconductor layer mainly using visible light and having a small band gap are stacked. It makes light in the wavelength range available. Among the semiconductors constituting the heterostructure, the wide gap semiconductor is arranged on the sunlight incident side, and the narrow gap semiconductor and further the electrodes are arranged in that order in the back. Since an electrode independent from an external power source, wiring, and semiconductor is not necessary and can be used with a simple configuration, a low-cost fuel production system can be constructed.
電解質水溶液中に本発明の半導体素子を配置して、太陽光による水からの水素製造や、二酸化炭素からのメタンやメタノール製造を行うことができる。また、例えば火力発電所の排ガスのような、高濃度の二酸化炭素を含む気体中に、本発明の半導体素子を配置して、二酸化炭素からのメタンやメタノール製造を行うことができる。 By arranging the semiconductor element of the present invention in an aqueous electrolyte solution, it is possible to produce hydrogen from water by sunlight and methane or methanol from carbon dioxide. Moreover, the semiconductor element of this invention can be arrange | positioned in the gas containing a high concentration carbon dioxide like the exhaust gas of a thermal power plant, for example, and methane and methanol can be manufactured from a carbon dioxide.
この半導体素子の反応機構は以下のようなものである。 The reaction mechanism of this semiconductor element is as follows.
半導体素子に太陽光が照射されると、それぞれの半導体層の内部では、電子−正孔対が生成する。生成した電子と正孔は、それぞれ、反対方向へ移動し、電極と、第1の半導体層の表面に到達した後に、反応で消費される。 When the semiconductor element is irradiated with sunlight, an electron-hole pair is generated inside each semiconductor layer. The generated electrons and holes move in opposite directions, and are consumed by the reaction after reaching the electrode and the surface of the first semiconductor layer.
第1の半導体層は、第2の半導体層よりもバンドギャップが大きく、1.5eV以上、望ましくは2.0eV以上のバンドギャップを有する半導体を使用する。ワイドギャップ半導体は、価電子帯のレベルが深いことが多いので、第1の半導体層の表面では酸化反応を行うのが有利である。電解質水溶液や混合組成のガスに長期間接触しても劣化しないことが望ましい。化学的に安定で光触媒能に優れる、酸化チタンが望ましい。その他、タンタル、タングステン、亜鉛、スズ、鉄、銅、バナジウム、ジルコニウム、ネプツニウム、モリブデン、カドミウム、アンチモン、コバルトからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素の酸化物、硫化物、またはセレン化物、シリコンカーバイド、ガリウム燐、(銅−インジウム−ガリウム−セレン)の4元素の化合物、(銅―インジウム―セレン)の3元素の化合物、が使用可能である。ここで、第1の半導体層に用いられる酸化物は、光触媒活性向上のために、カリウム、ストロンチウムによりドープされていることが望ましい。 The first semiconductor layer has a band gap larger than that of the second semiconductor layer, and a semiconductor having a band gap of 1.5 eV or more, preferably 2.0 eV or more is used. Since wide gap semiconductors often have a deep valence band level, it is advantageous to perform an oxidation reaction on the surface of the first semiconductor layer. It is desirable that it does not deteriorate even if it is in contact with an electrolyte aqueous solution or a gas having a mixed composition for a long time. Titanium oxide, which is chemically stable and excellent in photocatalytic activity, is desirable. In addition, an oxide, sulfide, or selenide of at least one element selected from the group consisting of tantalum, tungsten, zinc, tin, iron, copper, vanadium, zirconium, neptunium, molybdenum, cadmium, antimony, and cobalt, silicon carbide , Gallium phosphide, a compound of four elements (copper-indium-gallium-selenium), and a compound of three elements (copper-indium-selenium) can be used. Here, the oxide used for the first semiconductor layer is preferably doped with potassium or strontium in order to improve the photocatalytic activity.
第2の半導体層は、その表面で酸化あるいは還元反応を行わないので、光触媒としては、水中で使用すると自己溶解する硫化物系半導体のような材料や、あるいは、水中では劣化する太陽電池材料を使用することができる。第2の半導体層に用いられる材料としては、第1の半導体と同様の材料(チタン、タンタル、タングステン、亜鉛、スズ、鉄、銅、バナジウム、ジルコニウム、ネプツニウム、モリブデン、カドミウム、アンチモン、コバルトからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素の酸化物、硫化物、またはセレン化物、シリコンカーバイド、シリコン、ガリウム燐、(銅−インジウム−ガリウム−セレン)の4元素の化合物、(銅―インジウム―セレン)の3元素の化合物)が挙げられるが、第1の半導体層よりも狭バンドギャップである必要がある。反応のための起電力も必要であるため、具体的には、0.5eV以上、望ましくは0.8eV以上のバンドギャップを有する半導体である。 Since the second semiconductor layer does not undergo oxidation or reduction reaction on its surface, the photocatalyst is a material such as a sulfide-based semiconductor that self-dissolves when used in water, or a solar cell material that degrades in water. Can be used. The material used for the second semiconductor layer is the same material as the first semiconductor (titanium, tantalum, tungsten, zinc, tin, iron, copper, vanadium, zirconium, neptunium, molybdenum, cadmium, antimony, cobalt). An oxide, sulfide, or selenide of at least one element selected from the group, silicon carbide, silicon, gallium phosphide, (copper-indium-gallium-selenium) four-element compound, (copper-indium-selenium) 3 element compound), which is required to have a narrower band gap than the first semiconductor layer. Since an electromotive force for reaction is also required, specifically, it is a semiconductor having a band gap of 0.5 eV or more, preferably 0.8 eV or more.
電極に対しては、化学的に電解質水溶液や混合組成ガス中で劣化することなく、所望の化学反応に対する過電圧が小さく、第1の半導体層と良好な接触面を形成可能である、という要求がある。電極表面には、反応基質(水、二酸化炭素)が良好に吸着できることが、反応効率向上のために重要である。電極に使用可能な材料としては、白金、金、銀、銅、ニッケル、インジウム、ロジウム、パラジウム、ガリウム、亜鉛、チタン、コバルト、鉄、イリジウム、などが挙げられる。これらの中では、銅がメタン、メタノールの製造に適している。また、白金は水素過電圧が低く、化学的に安定なため、水素製造に特に適している。 There is a demand for the electrode that the overvoltage for a desired chemical reaction is small and that a good contact surface can be formed with the first semiconductor layer without chemically degrading in an aqueous electrolyte solution or mixed composition gas. is there. It is important to improve the reaction efficiency that the reaction substrate (water, carbon dioxide) can be favorably adsorbed on the electrode surface. Examples of materials that can be used for the electrode include platinum, gold, silver, copper, nickel, indium, rhodium, palladium, gallium, zinc, titanium, cobalt, iron, and iridium. Among these, copper is suitable for the production of methane and methanol. Platinum is particularly suitable for hydrogen production because it has a low hydrogen overvoltage and is chemically stable.
第1の半導体層表面には、助触媒と呼ばれる、金属・金属酸化物微粒子をまばらに付加すると、反応効率向上に効果がある。これは、反応表面積増大や、反応基質の吸着性改善や、半導体内部で生成した電子−正孔の分離を向上することによる影響である。助触媒に使用可能な材料としては、白金、銀、銅、金、酸化ニッケル、酸化ルテニウム、酸化銅、などが挙げられる。助触媒付加の方法としては、微粒子の塗布、光析出、電着、スパッタ、CVDなどがある。助触媒は、直径20nm以下、望ましくは10nm以下、さらに望ましくは3nm以下、であり、かつ、助触媒が占める面積は、第1の半導体層表面積の5%以下であることが望ましい。 Sparsely adding metal / metal oxide fine particles called cocatalysts to the surface of the first semiconductor layer is effective in improving the reaction efficiency. This is due to an increase in the reaction surface area, an improvement in the adsorptivity of the reaction substrate, and an improvement in the separation of electrons and holes generated inside the semiconductor. Examples of materials that can be used for the promoter include platinum, silver, copper, gold, nickel oxide, ruthenium oxide, and copper oxide. Examples of the method for adding a cocatalyst include fine particle coating, photodeposition, electrodeposition, sputtering, and CVD. The promoter has a diameter of 20 nm or less, desirably 10 nm or less, more desirably 3 nm or less, and the area occupied by the promoter is desirably 5% or less of the surface area of the first semiconductor layer.
第1の半導体層表面には、光触媒層を薄く設けると、反応効率向上に効果がある。これは、助触媒と同様な反応表面積増大の効果と、第1の半導体層に光触媒活性が低い太陽電池材料を使用する場合に特に有効である。光触媒層の厚さは、10nm以下、望ましくは5nm以下、さらに望ましくは1nm以下である。薄くすることの効果は、第1の半導体層からトンネル効果で正孔が光触媒表面に到達可能となり、反応効率が向上する。光触媒として使用可能な材料としては、アナターゼ型酸化チタン、ルチル型酸化チタン、ブルッカイト型酸化チタンなどが挙げられる。 Providing a thin photocatalyst layer on the surface of the first semiconductor layer is effective in improving reaction efficiency. This is particularly effective when a solar cell material having a low photocatalytic activity is used for the first semiconductor layer and the effect of increasing the reaction surface area similar to that of the promoter. The thickness of the photocatalyst layer is 10 nm or less, desirably 5 nm or less, and more desirably 1 nm or less. The effect of reducing the thickness is that the holes can reach the surface of the photocatalyst by the tunnel effect from the first semiconductor layer, and the reaction efficiency is improved. Examples of materials that can be used as the photocatalyst include anatase type titanium oxide, rutile type titanium oxide, brookite type titanium oxide and the like.
半導体素子の側面から水や電解質成分が浸透したり、気体が浸入したりすることは素子の劣化を引き起こすことから、素子の側面を、水、電解質、気体が通過しにくい絶縁性材料で封止することは、素子の長寿命化のためには、非常に有効である。とりわけ、透明な材料で封止することは、太陽光を遮らないので、反応の高効率化のために有効である。 Sealing the side of the element with an insulating material that prevents water, electrolyte, and gas from passing through, as water and electrolyte components permeate from the side of the semiconductor element, and gas intrusion causes deterioration of the element. This is very effective for extending the life of the device. In particular, sealing with a transparent material is effective for improving the reaction efficiency because it does not block sunlight.
半導体素子の第1の実施の形態を図1に示す。平面である電極101の上に、第2の半導体層102、第1の半導体層103を順に積層することにより形成される。第1および第2の半導体層の形成は、スパッタ、CVD、蒸着、ゾルゲル法、などにより行われる。第1および第2の半導体層の形成方法については、以下、本発明の光電気化学反応素子の他の形態においても共通である。
A first embodiment of a semiconductor element is shown in FIG. A
半導体素子の第2の実施の形態を図2に示す。平面である電極101の上に、第2の半導体層102、第1の半導体層103を順に積層することにより形成される。さらに、第1の半導体層101の上に、薄い光触媒層104を形成する。光触媒層104の形成は、微粒子の塗布、金属アルコキシド溶液の塗布と加熱結晶化、スパッタ、CVD、蒸着、などにより行われる。
A second embodiment of the semiconductor element is shown in FIG. A
半導体素子の第3の実施の形態を図3に示す。平面である電極101の上に、第2の半導体層102、第1の半導体層103を順に積層した後、助触媒105を離散的に付加する。助触媒105の付加方法は、助触媒付加の方法としては、微粒子の塗布、光析出、電着、スパッタ、CVDなどがある。助触媒は、直径20nm以下、望ましくは10nm以下、さらに望ましくは3nm以下、であり、かつ、助触媒が占める面積は、第1の半導体層表面積の5%以下であることが望ましい。助触媒に使用可能な材料としては、白金、銀、銅、金、酸化ニッケル、酸化ルテニウム、酸化銅、などが挙げられる。
A third embodiment of the semiconductor element is shown in FIG. After the
半導体素子の第4の実施の形態を図4に示す。平面である電極101の上に、第2の半導体層102、第1の半導体層103、光触媒層104を順に積層した後、助触媒105を離散的に付加する。ここで使用する光触媒、助触媒は、前記第2の形態、および第3の形態と同様のものを使用できる。
A fourth embodiment of the semiconductor element is shown in FIG. After the
半導体素子の第5の実施の形態を図7に示す。第1〜第4の実施の形態として示した光電気化学反応素子の端面を封止131で覆うものである。図7ではその一例として、第1の実施の形態の素子を封止131で覆う例を示している。
A fifth embodiment of the semiconductor element is shown in FIG. The end surface of the photoelectrochemical reaction element shown as the first to fourth embodiments is covered with a
本発明の半導体素子を用いて水の分解や二酸化炭素の還元を行う方法が、図8〜図10に示されている。また、素子としては第1の実施の形態の素子を例示しているが、他の実施の形態の素子でも同様であることはいうまでもない。 A method of decomposing water and reducing carbon dioxide using the semiconductor element of the present invention is shown in FIGS. Moreover, although the element of 1st Embodiment is illustrated as an element, it cannot be overemphasized that the element of other embodiment is also the same.
図8では、容器122の中に、電解質水溶液121を入れ、電解質水溶液121の中に、光電気化学反応素子を浸積する。容器122は、少なくとも太陽光124が入射する面は透明である必要がある。すなわち、紫外光及び可視光が容器122を透過できる必要がある。望ましくは、側面、底面も透明にすれば、太陽光の入射量が多くなり、都合が良い。
In FIG. 8, an
第1の半導体層103を太陽光124の入射側になるように設置すると、太陽光124入射により、素子の内部で生成した電子および正孔の作用で、第1の半導体層103表面と、電極101の表面で、気体120・126が発生する。水の分解では、第1の半導体層103側では酸素、電極101側では水素がそれぞれ発生する。発生した気体は、ガス採取口123より取り出すことができる。図8によって、太陽光による二酸化炭素の還元を行うことも可能である。電解質水溶液121に、あらかじめ二酸化炭素を吹き込み、高濃度にしておくと反応効率向上に効果がある。二酸化炭素の還元反応は、ガス採取口123を閉じて行う方が、二酸化炭素の拡散を防ぎ、還元生成物を採取する上で都合が良い。二酸化炭素の還元反応では、第1の半導体103側で水の酸化による酸素生成反応、電極101側で二酸化炭素の還元反応によるメタン、メタノール生成が起こる。
When the
図9では、容器122に、ガス吹き込み口125を設けてあり、二酸化炭素を含む原料ガスを、反応中にも連続的に供給することにより、反応効率を向上させる。第1の半導体層103を太陽光124の入射側になるように設置すると、太陽光124入射により、素子の内部で生成した電子および正孔の作用で、第1の半導体層103表面と、電極101の表面で、気体120・126が発生する。第1の半導体103側で水の酸化による酸素生成反応、電極101側で二酸化炭素の還元反応によるメタン、メタノール生成が起こる。
In FIG. 9, the
図8や図9に示される反応方式において、電解質水溶液121の組成は、導電性の確保や、二酸化炭素の還元の場合は、二酸化炭素を高濃度に溶解させることが可能な組成が用いられる。電解質には、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化ストロンチウム、硫酸ナトリウム、硝酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、硫酸カリウム、硝酸カリウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、塩酸、硫酸、リン酸、などが用いられる。二酸化炭素の還元の場合は、アルカリ性の方が炭酸イオンおよび炭酸水素イオン濃度を高濃度にできるため、アルカリ金属の水酸化物、アルカリ金属の炭酸塩など塩基性の電解質を用いると都合が良い。
In the reaction system shown in FIGS. 8 and 9, the composition of the electrolyte
図10では気相反応により太陽光による二酸化炭素の還元を行う例である。容器122に、ガス吹き込み口125を設けてあり、二酸化炭素を含む原料ガスを、反応中にも連続的に供給することができ、反応効率向上に効果がある。容器122の中に、二酸化炭素を高濃度に含む気体120を満たし、内部に設置した前記第1の形態の素子を第1の電極103が太陽光124の入射側になるように設置する。太陽光124照射により、第1の半導体103側で水蒸気の酸化による酸素生成反応、電極101側で二酸化炭素の還元反応によるメタン、メタノール生成が起こる。
FIG. 10 shows an example in which carbon dioxide is reduced by sunlight through a gas phase reaction. A
反応生成物の組成分析や生成量の測定は、ガスクロマトグラフィ、GC―MS、によって行うことが可能である。電解質水溶液の分析は、イオンクロマトグラフィや高速液体クロマトグラフィを用いて行うことが可能である。 Analysis of the composition of the reaction product and measurement of the amount produced can be carried out by gas chromatography and GC-MS. The analysis of the aqueous electrolyte solution can be performed using ion chromatography or high performance liquid chromatography.
図11は、半導体素子による水溶液中における、太陽光による水の分解反応の様子とメカニズムを表す俯瞰図である。太陽光124の照射により、第1の半導体層103および第2の半導体層102の内部で電子133と正孔132が生成し、電子133と正孔132が分離されて、電極101表面で還元反応による水素製造、第1の電極103表面で酸化反応による酸素製造が起こる。
FIG. 11 is a bird's-eye view showing the state and mechanism of the decomposition reaction of water by sunlight in an aqueous solution of a semiconductor element. By irradiation with
図12は、半導体素子による水溶液中における、太陽光による二酸化炭素の還元反応の様子とメカニズムを表す俯瞰図である。太陽光124の照射により、第1の半導体層103および第2の半導体層102の内部で電子133と正孔132が生成し、電子133と正孔132が分離されて、電極101表面で還元反応によるメタン、またはメタノール製造、第1の電極103表面で水の酸化反応による酸素製造が起こる。
FIG. 12 is an overhead view showing the state and mechanism of carbon dioxide reduction reaction by sunlight in an aqueous solution of a semiconductor element. By irradiation with
図11及び図12では第1の実施の形態の素子を例示しているが、他の実施の形態の素子であっても同じ反応メカニズムにより、太陽光照射による反応が起こる。 11 and 12 exemplify the element according to the first embodiment. However, even with elements according to other embodiments, a reaction due to sunlight irradiation occurs by the same reaction mechanism.
図13および図14は、バンドダイアグラムにより半導体素子の動作メカニズムを示すものである。図13および図14のバンドダイアグラムでは、図の上方ほど負の電位である。なお、図13、14では、二酸化炭素の還元反応の場合を示しているが、メタン、メタノールの反応電位を水素生成電位に置き換えれば、水の分解反応の動作メカニズムとなる。 13 and 14 show an operation mechanism of a semiconductor element by a band diagram. In the band diagrams of FIG. 13 and FIG. 14, the upper side of the figure is a negative potential. 13 and 14 show the case of a carbon dioxide reduction reaction, but if the reaction potential of methane and methanol is replaced with a hydrogen generation potential, it becomes an operation mechanism of the water decomposition reaction.
図13は、第1の半導体層103の伝導帯136の下端が、第2の半導体層102の伝導帯136の下端よりも負であり、第1の半導体層103の価電子帯137の上端が、第2の半導体層102の価電子帯137の上端より負、となっている。このような構造では、電子111、正孔115が分離されて流れやすいために、電子、正孔の損失が少なく、反応効率を向上させることができる。このような構造をとることができる、第1の半導体層と第2の半導体層の組み合わせには、SiCとCdS、TiO2とWO3、ZnSとWO3、TiO2とSi、などがある。In FIG. 13, the lower end of the
図14は、第1の半導体層103の伝導帯136の下端が、第2の半導体層102の伝導帯136の下端よりも正であり、第1の半導体層103の価電子帯137の上端が、第2の半導体層102の価電子帯137の上端より正、となっている。このような構造では、特に第2の半導体層102の価電子帯137に生成した正孔115が、第1の半導体層103に侵入しづらいので、第1の半導体層103の厚さを非常に薄くして、トンネル効果により第2の半導体層102内で生成した正孔を取り出す。
FIG. 14 shows that the lower end of the
以下、実施例を説明する。 Examples will be described below.
本実施例では、第1の形態の半導体素子の例を説明する。 In this example, an example of the semiconductor element of the first embodiment will be described.
厚さ50ミクロン、50mm角のプラチナ電極の上に、第2の半導体層として、厚さ100ミクロンの酸化タングステン層を、スパッタにより形成した。酸化タングステン層の上に、第1の半導体層として、厚さ50ミクロンのSiC層を形成した。 A tungsten oxide layer having a thickness of 100 microns was formed as a second semiconductor layer by sputtering on a platinum electrode having a thickness of 50 microns and 50 mm square. A SiC layer having a thickness of 50 microns was formed as a first semiconductor layer on the tungsten oxide layer.
得られた光電気化学反応素子を、図8の構成で、水の分解反応を行った。透明反応容器の大きさは、底面20cm角、高さ20cmであり、深さ10cmまで、0.1M水酸化ナトリウム水溶液を入れた。この水溶液の中に、第2の半導体層を上に向けて、光電気化学反応素子を浸した。容器の上方から、強度1.0kW/m2の太陽光を照射したところ、電極面から水素、第1の半導体層表面から酸素がそれぞれ同時に発生した。The obtained photoelectrochemical reaction element was subjected to water decomposition reaction in the configuration of FIG. The size of the transparent reaction vessel was 20 cm square at the bottom, 20 cm in height, and 0.1 M sodium hydroxide aqueous solution was added up to a depth of 10 cm. The photoelectrochemical reaction element was immersed in this aqueous solution with the second semiconductor layer facing upward. When sunlight with an intensity of 1.0 kW / m 2 was irradiated from above the container, hydrogen was simultaneously generated from the electrode surface and oxygen was simultaneously generated from the surface of the first semiconductor layer.
第1の半導体層、第2の半導体層を別の半導体材料に代えて、電極はプラチナを使用し、同様の方法で光電気化学反応素子を作製し、同様に水の分解反応を行い、電極面からの水素発生を確認した。表1に結果を示す。 The first semiconductor layer and the second semiconductor layer are replaced with another semiconductor material, and the electrode is made of platinum. A photoelectrochemical reaction element is manufactured by the same method, and the decomposition reaction of water is similarly performed. Hydrogen generation from the surface was confirmed. Table 1 shows the results.
本実施例では、第1の形態の半導体素子を用いた、太陽光による二酸化炭素の還元の例を説明する。 In this example, an example of reduction of carbon dioxide by sunlight using the semiconductor element of the first embodiment will be described.
厚さ100ミクロン、50mm角の銅電極の上に、第2の半導体層として、厚さ100ミクロンのアモルファスシリコン層を形成した。アモルファスシリコン層の上に、第1の半導体層として、厚さ50ミクロンの酸化チタン層をゾルゲル法により形成した。 An amorphous silicon layer having a thickness of 100 microns was formed as a second semiconductor layer on a copper electrode having a thickness of 100 microns and 50 mm square. On the amorphous silicon layer, a titanium oxide layer having a thickness of 50 microns was formed as a first semiconductor layer by a sol-gel method.
得られた半導体素子を、図9の構成で、二酸化炭素の分解反応を行った。透明反応容器の大きさは、底面20cm角、高さ20cmであり、深さ10cmまで、0.1M炭酸水素ナトリウム水溶液を入れた。この水溶液の中に、第2の半導体層を上に向けて、半導体素子を浸した。水溶液に二酸化炭素ガスを吹き込みながら,容器の上方から、強度1.0kW/m2の太陽光を照射したところ、電極面からメタン、第1の電極面から酸素がそれぞれ同時に発生した。1時間の反応後、電解質水溶液の成分を、高速液体クロマトグラフィにより分析したところ、反応前には検出されなかったメタノールが、反応後には検出され、二酸化炭素の還元生成物であることを確認した。銅電極と、表1に示した第1の半導体と第2の半導体の組み合わせにより作製した半導体素子を用いて同様の反応を行ったところ、二酸化炭素の還元生成物であるメタノールとメタンの発生を確認した。銅電極の代わりに、表2に示した電極を用いた場合にもメタノールとメタンの発生を確認した。The obtained semiconductor element was subjected to carbon dioxide decomposition reaction in the configuration of FIG. The size of the transparent reaction vessel was 20 cm square at the bottom and 20 cm in height, and a 0.1 M sodium hydrogen carbonate aqueous solution was added up to a depth of 10 cm. The semiconductor element was immersed in this aqueous solution with the second semiconductor layer facing upward. When carbon dioxide gas was blown into the aqueous solution and irradiated with sunlight having an intensity of 1.0 kW / m 2 from above the container, methane was simultaneously generated from the electrode surface and oxygen was simultaneously generated from the first electrode surface. After the reaction for 1 hour, the components of the aqueous electrolyte solution were analyzed by high performance liquid chromatography. As a result, methanol that was not detected before the reaction was detected after the reaction, and was confirmed to be a reduction product of carbon dioxide. When a similar reaction was performed using a copper electrode and a semiconductor element produced by combining the first semiconductor and the second semiconductor shown in Table 1, generation of methanol and methane, which are reduction products of carbon dioxide, was observed. confirmed. The generation of methanol and methane was also confirmed when the electrodes shown in Table 2 were used instead of the copper electrodes.
得られた素子を、図11に示す方法で、気相中での二酸化炭素の還元反応も行った。反応容器は水溶液の実験と同じものを用いた。反応前に、容器の内部に二酸化炭素を吹き込み、十分に充填した。内部に満たした二酸化炭素は、25度にて湿度80%の水蒸気を含んでいた。容器の上方から、強度1.0kW/m2の太陽光を照射したところ、電極面からメタン、第1の電極面から酸素がそれぞれ同時に発生した。1時間の反応後、電解質水溶液の成分を、高速液体クロマトグラフィにより分析したところ、反応前には検出されなかったメタノールが、反応後には検出され、二酸化炭素の還元生成物であることを確認した。銅電極と、表1に示した第1の半導体と第2の半導体の組み合わせにより作製した半導体素子を用いて同様の反応を行ったところ、二酸化炭素の還元生成物であるメタノールとメタンの発生を確認した。The obtained device was also subjected to a carbon dioxide reduction reaction in the gas phase by the method shown in FIG. The reaction vessel used was the same as in the aqueous solution experiment. Before the reaction, carbon dioxide was blown into the container to fully fill it. The carbon dioxide filled inside contained water vapor at 25 degrees and humidity of 80%. When sunlight with an intensity of 1.0 kW / m 2 was irradiated from above the container, methane was generated from the electrode surface and oxygen was simultaneously generated from the first electrode surface. After the reaction for 1 hour, the components of the aqueous electrolyte solution were analyzed by high performance liquid chromatography. As a result, methanol that was not detected before the reaction was detected after the reaction, and was confirmed to be a reduction product of carbon dioxide. When a similar reaction was performed using a copper electrode and a semiconductor element produced by combining the first semiconductor and the second semiconductor shown in Table 1, generation of methanol and methane, which are reduction products of carbon dioxide, was observed. confirmed.
本実施例では、第2の形態の半導体素子を用いた、太陽光による、二酸化炭素の還元の例を説明する。 In this example, an example of reduction of carbon dioxide by sunlight using the semiconductor element of the second embodiment will be described.
厚さ100ミクロン、50mm角の銅電極の上に、第2の半導体層として、厚さ100ミクロンのアモルファスシリコン層を形成した。アモルファスシリコン層の上に、第1の半導体層として、厚さ50ミクロンの酸化タングステン層をゾルゲル法により形成した。さらに、第1の半導体層の上に、光触媒層として、厚さ10nmの酸化チタン層を形成した。 An amorphous silicon layer having a thickness of 100 microns was formed as a second semiconductor layer on a copper electrode having a thickness of 100 microns and 50 mm square. A tungsten oxide layer having a thickness of 50 microns was formed as a first semiconductor layer on the amorphous silicon layer by a sol-gel method. Further, a titanium oxide layer having a thickness of 10 nm was formed as a photocatalytic layer on the first semiconductor layer.
得られた半導体素子を、図9の構成で、二酸化炭素の分解反応を行った。透明反応容器の大きさは、底面20cm角、高さ20cmであり、深さ10cmまで、0.1M炭酸水素ナトリウム水溶液を入れた。この水溶液の中に、第2の半導体層を上に向けて、光電気化学反応素子を浸した。水溶液に二酸化炭素ガスを吹き込みながら、容器の上方から、強度1.0kW/m2の太陽光を照射したところ、電極面からメタン、第1の電極面から酸素がそれぞれ同時に発生した。1時間の反応後、電解質水溶液の成分を、高速液体クロマトグラフィにより分析したところ、反応前には検出されなかったメタノールが、反応後には検出され、二酸化炭素の還元生成物であることを確認した。メタンの生成量を実施例2の素子と比較した場合に、実施例3では、1.1倍多いことが確認された。The obtained semiconductor element was subjected to carbon dioxide decomposition reaction in the configuration of FIG. The size of the transparent reaction vessel was 20 cm square at the bottom and 20 cm in height, and a 0.1 M sodium hydrogen carbonate aqueous solution was added up to a depth of 10 cm. The photoelectrochemical reaction element was immersed in this aqueous solution with the second semiconductor layer facing upward. When carbon dioxide gas was blown into the aqueous solution and irradiated with sunlight having an intensity of 1.0 kW / m 2 from above the container, methane was simultaneously generated from the electrode surface and oxygen was simultaneously generated from the first electrode surface. After the reaction for 1 hour, the components of the aqueous electrolyte solution were analyzed by high performance liquid chromatography. As a result, methanol that was not detected before the reaction was detected after the reaction, and was confirmed to be a reduction product of carbon dioxide. When the amount of methane produced was compared with the device of Example 2, it was confirmed that Example 3 was 1.1 times more.
本実施例では、第3の形態および第4の形態の半導体素子を用いた、太陽光による、二酸化炭素の還元の例を説明する。 In this example, an example of reduction of carbon dioxide by sunlight using the semiconductor elements of the third embodiment and the fourth embodiment will be described.
厚さ100ミクロン、50mm角の銅電極の上に、第2の半導体層として、厚さ100ミクロンのアモルファスシリコン層を形成した。アモルファスシリコン層の上に、第1の半導体層として、厚さ50ミクロンの酸化タングステン層をゾルゲル法により形成した。酸化タングステン層の上に、直径5nmのプラチナ超微粒子を真空製膜により、まばらに付けた。プラチナの占める面積は酸化タングステンの面積に対して、1%であった。これを素子Aとした。 An amorphous silicon layer having a thickness of 100 microns was formed as a second semiconductor layer on a copper electrode having a thickness of 100 microns and 50 mm square. A tungsten oxide layer having a thickness of 50 microns was formed as a first semiconductor layer on the amorphous silicon layer by a sol-gel method. On the tungsten oxide layer, platinum ultrafine particles having a diameter of 5 nm were sparsely deposited by vacuum film formation. The area occupied by platinum was 1% with respect to the area of tungsten oxide. This was designated as an element A.
素子Bは、第1の半導体層の上に、光触媒層として、厚さ10nmの酸化チタン層を形成した。その後に、酸化チタン層の上に、直径5nmのプラチナ超微粒子を真空製膜により、まばらに付けた。プラチナの占める面積は酸化タングステンの面積に対して、1%であった。 In the element B, a titanium oxide layer having a thickness of 10 nm was formed as a photocatalytic layer on the first semiconductor layer. Thereafter, platinum ultrafine particles having a diameter of 5 nm were sparsely deposited on the titanium oxide layer by vacuum film formation. The area occupied by platinum was 1% with respect to the area of tungsten oxide.
得られた半導体素子を、それぞれ、図9の構成で、二酸化炭素の分解反応を行った。透明反応容器の大きさは、底面20cm角、高さ20cmであり、深さ10cmまで、0.1M炭酸水素ナトリウム水溶液を入れた。この水溶液の中に、第2の半導体層を上に向けて、光電気化学反応素子を浸した。水溶液に二酸化炭素ガスを吹き込みながら、容器の上方から、強度1.0kW/m2の太陽光を照射したところ、素子A、素子Bともに、電極面からメタン、第1の電極面から酸素がそれぞれ同時に発生した。1時間の反応後、電解質水溶液の成分を、高速液体クロマトグラフィにより分析したところ、反応前には検出されなかったメタノールが、反応後には検出され、二酸化炭素の還元生成物であることを確認した。Each of the obtained semiconductor elements was subjected to carbon dioxide decomposition reaction in the configuration of FIG. The size of the transparent reaction vessel was 20 cm square at the bottom and 20 cm in height, and a 0.1 M sodium hydrogen carbonate aqueous solution was added up to a depth of 10 cm. The photoelectrochemical reaction element was immersed in this aqueous solution with the second semiconductor layer facing upward. When carbon dioxide gas was blown into the aqueous solution and irradiated with sunlight having an intensity of 1.0 kW / m 2 from above the container, methane from the electrode surface and oxygen from the first electrode surface both in the device A and device B, respectively. It occurred at the same time. After the reaction for 1 hour, the components of the aqueous electrolyte solution were analyzed by high performance liquid chromatography. As a result, methanol that was not detected before the reaction was detected after the reaction, and was confirmed to be a reduction product of carbon dioxide.
本実施例では、本発明の光電気化学反応素子の、側面封止の例を説明する。 In this embodiment, an example of side sealing of the photoelectrochemical reaction device of the present invention will be described.
実施例1で作製した、第1の形態の素子に対し、側面を、透明な光硬化性シリコーン樹脂で封止した。この素子を用いて、実施例1の方法と同様の水の分解反応を行い、実施例1の素子と本実施例の封止を施した素子の寿命を比較した。 The side surface of the element of the first embodiment produced in Example 1 was sealed with a transparent photocurable silicone resin. Using this element, water decomposition reaction similar to the method of Example 1 was performed, and the lifetimes of the element of Example 1 and the element subjected to sealing of this example were compared.
太陽光の代わりに、擬似太陽光源(強度0.7kW/m2)を用いて素子に連続照射を行い、ガスクロマトグラフ装置により、2時間ごとに水素の生成速度を測定した。その結果、実施例1の素子は、100時間後には水素の生成速度が初期の10%にまで低下したが、本実施例の素子は、100時間後でも、初期の90%の水素生成速度を維持していることを確認した。The element was continuously irradiated with a pseudo solar light source (intensity 0.7 kW / m 2 ) instead of sunlight, and the hydrogen production rate was measured every 2 hours with a gas chromatograph. As a result, in the device of Example 1, the hydrogen generation rate decreased to 10% of the initial value after 100 hours. However, the device of this example showed an initial 90% hydrogen generation rate even after 100 hours. It was confirmed that it was maintained.
101:電極、102:第2の半導体層、103:第1の半導体層、104:光触媒層、105:助触媒、110:エネルギー、111:電子、112:伝導帯、113:バンドギャップ、114:価電子帯、115:正孔、120:気体、121:電解質水溶液、122:反応容器、123:ガス採取口、124:太陽光、125:ガス吹き込み口、126:太陽光照射によって発生した気体、131:絶縁封止部、132:正孔、133:電子、134:アノード、135:カソード、136:伝導帯、137:価電子帯。 101: electrode, 102: second semiconductor layer, 103: first semiconductor layer, 104: photocatalytic layer, 105: promoter, 110: energy, 111: electrons, 112: conduction band, 113: band gap, 114: Valence band, 115: hole, 120: gas, 121: aqueous electrolyte solution, 122: reaction vessel, 123: gas sampling port, 124: sunlight, 125: gas blowing port, 126: gas generated by sunlight irradiation, 131: insulation sealing part, 132: hole, 133: electron, 134: anode, 135: cathode, 136: conduction band, 137: valence band.
Claims (11)
第1の半導体層と、
互いに対向する第1及び第2の面を有し、前記第1の面に前記電極層が接して設けられ、前記第2の面に前記第1の半導体層が接して設けられる第2の半導体層とを有し、
前記第1の半導体層の伝導帯の下端電位は水からの水素生成電位よりも高く、
前記第2の半導体層の価電子帯の上端電位は水からの酸素生成電位よりも低く、
前記第1の半導体層のバンドギャップは前記第2の半導体層のバンドギャップよりも大きく、
前記第1の半導体層はSiC層であることを特徴とする半導体素子。 An electrode layer;
A first semiconductor layer;
A second semiconductor having first and second surfaces facing each other, the electrode layer being in contact with the first surface, and the first semiconductor layer being in contact with the second surface And having a layer
The lower end potential of the conduction band of the first semiconductor layer is higher than the hydrogen generation potential from water,
The upper end potential of the valence band of the second semiconductor layer is lower than the oxygen generation potential from water,
The band gap of the first semiconductor layer is larger than the band gap of the second semiconductor layer,
The semiconductor element, wherein the first semiconductor layer is a SiC layer.
第1の半導体層と、
互いに対向する第1及び第2の面を有し、前記第1の面に前記電極層が接して設けられ、前記第2の面に前記第1の半導体層が接して設けられる第2の半導体層とを有し、
前記第1の半導体層の伝導帯の下端電位は二酸化炭素からのメタンまたはメタノールの生成電位よりも高く、
前記第2の半導体層の価電子帯の上端電位は水からの酸素生成電位よりも低く、
前記第1の半導体層のバンドギャップは前記第2の半導体層のバンドギャップよりも大きく、
前記第1の半導体層はSiC層であることを特徴とする半導体素子。 An electrode layer;
A first semiconductor layer;
A second semiconductor having first and second surfaces facing each other, the electrode layer being in contact with the first surface, and the first semiconductor layer being in contact with the second surface And having a layer
The lower end potential of the conduction band of the first semiconductor layer is higher than the generation potential of methane or methanol from carbon dioxide,
The upper end potential of the valence band of the second semiconductor layer is lower than the oxygen generation potential from water,
The band gap of the first semiconductor layer is larger than the band gap of the second semiconductor layer,
The semiconductor element, wherein the first semiconductor layer is a SiC layer.
前記第1の半導体層の表面に光触媒層を有することを特徴とする半導体素子。 In claim 1 or 2,
A semiconductor element comprising a photocatalyst layer on a surface of the first semiconductor layer.
前記第1の半導体層の表面に助触媒が離散的に担持されていることを特徴とする半導体素子。 In claim 1 or 2,
A semiconductor element, wherein a promoter is discretely supported on the surface of the first semiconductor layer.
前記第1の半導体層の前記第2の半導体層と対向する面に接する光触媒層を有し、前記光触媒層の表面に助触媒が離散的に担持されていることを特徴とする半導体素子。 In claim 1 or 2,
A semiconductor device comprising a photocatalyst layer in contact with a surface of the first semiconductor layer facing the second semiconductor layer, and a promoter is discretely supported on the surface of the photocatalyst layer.
前記第1の半導体層、前記第2の半導体層及び前記電極層の積層体の側面が絶縁材で封止されていることを特徴とする半導体素子。 In claim 1 or 2,
A semiconductor element, wherein a side surface of a stacked body of the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the electrode layer is sealed with an insulating material.
前記電極は、白金、金、銀、銅、ニッケル、インジウム、ロジウム、パラジウム、ガリウム、亜鉛、チタン、コバルト、鉄、イリジウム、の中から選ばれた少なくとも1種の金属を含むことを特徴とする半導体素子。 In claim 1 or 2,
The electrode includes at least one metal selected from platinum, gold, silver, copper, nickel, indium, rhodium, palladium, gallium, zinc, titanium, cobalt, iron, and iridium. Semiconductor element.
前記第2の半導体層は、CdS層であることを特徴とする半導体素子。 In claim 1 or 2,
The semiconductor element, wherein the second semiconductor layer is a CdS layer.
前記光触媒は、アナターゼ型酸化チタン、ルチル型酸化チタン、ブルッカイト型酸化チタンの中から少なくとも1種選ばれた光触媒であることを特徴とする半導体素子。 The semiconductor device according to claim 3,
The photocatalyst is a photocatalyst selected from at least one of anatase type titanium oxide, rutile type titanium oxide, and brookite type titanium oxide.
前記助触媒は、白金、銀、銅、金、酸化ニッケル、酸化ルテニウム、酸化銅の中から少なくとも1種選ばれた金属助触媒であることを特徴とする半導体素子。 The semiconductor device according to claim 4,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the promoter is a metal promoter selected from at least one of platinum, silver, copper, gold, nickel oxide, ruthenium oxide, and copper oxide.
前記透明容器内に配置される請求項1に記載の半導体素子と、を有することを特徴とする水素製造システム。 A transparent container,
A hydrogen production system comprising: the semiconductor element according to claim 1 disposed in the transparent container.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/JP2011/001993 WO2012137240A1 (en) | 2011-04-04 | 2011-04-04 | Semiconductor element |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2012137240A1 JPWO2012137240A1 (en) | 2014-07-28 |
JP5830527B2 true JP5830527B2 (en) | 2015-12-09 |
Family
ID=46968691
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013508619A Expired - Fee Related JP5830527B2 (en) | 2011-04-04 | 2011-04-04 | Semiconductor device, hydrogen production system, and methane or methanol production system |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5830527B2 (en) |
WO (1) | WO2012137240A1 (en) |
Families Citing this family (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014169373A1 (en) * | 2013-04-19 | 2014-10-23 | Khashayar Ghandi | Process for generating hydrogen using photo-catalytic composite material |
JP6175596B2 (en) * | 2014-01-31 | 2017-08-02 | 博 久保田 | Method for producing hydrogen production catalyst |
WO2016002734A1 (en) * | 2014-06-30 | 2016-01-07 | シナノケンシ株式会社 | Actuator and pump utilizing same |
JP6369202B2 (en) | 2014-08-01 | 2018-08-08 | 株式会社デンソー | Semiconductor photocatalyst and artificial photosynthesis device using the same |
JP2016074577A (en) * | 2014-10-09 | 2016-05-12 | 日本電信電話株式会社 | Carbon dioxide reduction method |
WO2016104072A1 (en) * | 2014-12-26 | 2016-06-30 | シャープ株式会社 | Visible light-responsive photocatalyst |
JP6343258B2 (en) * | 2015-06-05 | 2018-06-13 | 日本電信電話株式会社 | Carbon dioxide reduction method and reduction apparatus |
US10344388B2 (en) | 2015-09-16 | 2019-07-09 | Kabushiki Kaisha Toshiba | CO2 reduction catalyst, CO2 reduction electrode, CO2 reduction reaction apparatus, and process for producing CO2 reduction catalyst |
JP6649237B2 (en) * | 2016-12-06 | 2020-02-19 | 日本電信電話株式会社 | Photocatalytic oxidation-reduction reactor |
JP2018089604A (en) * | 2016-12-07 | 2018-06-14 | 日本電信電話株式会社 | Semiconductor photoelectrode |
JP6880404B2 (en) | 2017-06-29 | 2021-06-02 | 富士通株式会社 | Oxygen generator electrode and oxygen generator |
CN111250173A (en) * | 2018-01-11 | 2020-06-09 | 铜仁学院 | TPP/TiO2Preparation and application methods of/CuO visible-light-driven photocatalyst |
KR102123988B1 (en) * | 2018-10-04 | 2020-06-17 | 울산과학기술원 | Solar-seawater battery system and unbiased spontaneous photo-charging method |
WO2020153080A1 (en) * | 2019-01-25 | 2020-07-30 | シャープ株式会社 | Photocatalytic sheet |
CN113893870A (en) * | 2020-07-06 | 2022-01-07 | 吕锋仔 | Semiconductor heterojunction/homojunction, preparation method thereof and photocatalyst with semiconductor heterojunction/homojunction |
CN114160175B (en) * | 2020-08-20 | 2024-07-23 | 吕锋仔 | Semiconductor photocatalytic structure, preparation method thereof and photocatalyst with semiconductor photocatalytic structure |
Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0810625A (en) * | 1994-06-28 | 1996-01-16 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Catalyst and method for fixing carbon dioxide |
JPH08182934A (en) * | 1994-12-29 | 1996-07-16 | Ishihara Sangyo Kaisha Ltd | Photocatalyst and its production |
JP2001046881A (en) * | 1999-08-05 | 2001-02-20 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | Article having photocatalytic activity |
JP2003146602A (en) * | 2001-11-07 | 2003-05-21 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | Device for manufacturing hydrogen |
JP2006302695A (en) * | 2005-04-21 | 2006-11-02 | Nissan Motor Co Ltd | Photoelectrochemical cell and its manufacturing method |
JP2007252974A (en) * | 2006-03-20 | 2007-10-04 | Sharp Corp | Photocatalyst film, semiconductive photo-electrode for water decomposition and water decomposition device using the same |
JP2008104899A (en) * | 2006-10-23 | 2008-05-08 | Sharp Corp | Photocatalyst membrane, manufacturing method of photocatalyst membrane, and hydrogen-generating device using the catalyst |
JP2009045516A (en) * | 2007-08-14 | 2009-03-05 | Stanley Electric Co Ltd | Photocatalyst element |
JP2009050827A (en) * | 2007-08-29 | 2009-03-12 | Sharp Corp | Semiconductor oxide film, its manufacturing method and hydrogen generation apparatus using semiconductor oxide film |
JP2009233606A (en) * | 2008-03-27 | 2009-10-15 | Tokyo Institute Of Technology | Photodegradation apparatus and method of liquid material |
-
2011
- 2011-04-04 JP JP2013508619A patent/JP5830527B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2011-04-04 WO PCT/JP2011/001993 patent/WO2012137240A1/en active Application Filing
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0810625A (en) * | 1994-06-28 | 1996-01-16 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Catalyst and method for fixing carbon dioxide |
JPH08182934A (en) * | 1994-12-29 | 1996-07-16 | Ishihara Sangyo Kaisha Ltd | Photocatalyst and its production |
JP2001046881A (en) * | 1999-08-05 | 2001-02-20 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | Article having photocatalytic activity |
JP2003146602A (en) * | 2001-11-07 | 2003-05-21 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | Device for manufacturing hydrogen |
JP2006302695A (en) * | 2005-04-21 | 2006-11-02 | Nissan Motor Co Ltd | Photoelectrochemical cell and its manufacturing method |
JP2007252974A (en) * | 2006-03-20 | 2007-10-04 | Sharp Corp | Photocatalyst film, semiconductive photo-electrode for water decomposition and water decomposition device using the same |
JP2008104899A (en) * | 2006-10-23 | 2008-05-08 | Sharp Corp | Photocatalyst membrane, manufacturing method of photocatalyst membrane, and hydrogen-generating device using the catalyst |
JP2009045516A (en) * | 2007-08-14 | 2009-03-05 | Stanley Electric Co Ltd | Photocatalyst element |
JP2009050827A (en) * | 2007-08-29 | 2009-03-12 | Sharp Corp | Semiconductor oxide film, its manufacturing method and hydrogen generation apparatus using semiconductor oxide film |
JP2009233606A (en) * | 2008-03-27 | 2009-10-15 | Tokyo Institute Of Technology | Photodegradation apparatus and method of liquid material |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2012137240A1 (en) | 2012-10-11 |
JPWO2012137240A1 (en) | 2014-07-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5830527B2 (en) | Semiconductor device, hydrogen production system, and methane or methanol production system | |
Lu et al. | Noble-metal-free multicomponent nanointegration for sustainable energy conversion | |
Chen et al. | Recent advances in visible-light-driven photoelectrochemical water splitting: catalyst nanostructures and reaction systems | |
Wang et al. | Chemically modified nanostructures for photoelectrochemical water splitting | |
Yan | Handbook of clean energy systems, 6 volume set | |
LaTempa et al. | Generation of fuel from CO 2 saturated liquids using a p-Si nanowire‖ n-TiO 2 nanotube array photoelectrochemical cell | |
Zhang et al. | S-scheme heterojunction of core–shell biphase (1T-2H)-MoSe2/TiO2 nanorod arrays for enhanced photoelectrocatalytic production of hydrogen peroxide | |
JP5678035B2 (en) | Photoelectrochemical cell and energy system using the same | |
Ren et al. | Continuous production of ethylene from carbon dioxide and water using intermittent sunlight | |
Romano et al. | Current density in solar fuel technologies | |
JP5753641B2 (en) | Carbon dioxide reduction apparatus and method for reducing carbon dioxide | |
Masoumi et al. | Improvement of surface light absorption of ZnO photoanode using a double heterojunction with α–Fe2O3/g–C3N4 composite to enhance photoelectrochemical water splitting | |
WO2016136374A1 (en) | Photocatalyst structure and photocell | |
Rosman et al. | An overview of co‐catalysts on metal oxides for photocatalytic water splitting | |
JP5677626B2 (en) | Photo semiconductor electrode, photoelectrochemical cell and energy system | |
JP2003288955A (en) | Method and apparatus for producing hydrogen utilizing sunlight | |
Wan et al. | Solar driven CO 2 reduction: from materials to devices | |
JP2007107043A (en) | Current collecting electrode for photocatalyst, photoreaction element, photocatalytic reaction apparatus and photoelectrochemical reaction execution method | |
Seo et al. | Hydrogen production by photoelectrochemical water splitting | |
JP5696334B2 (en) | Photocatalyst composition and method for producing photocatalyst composition | |
JP2011143401A (en) | Modifier and electrolyzer | |
Che Mohamad et al. | Photocatalytic and Photoelectrochemical Overall Water Splitting | |
Cao et al. | Reaction kinetics on facet-engineered bismuth tungstate photoanodes for water oxidation | |
Amin et al. | A Review of Photocatalytic Water Splitting for Hydrogen Production Using Tandem Solar Cell | |
US20060100100A1 (en) | Tetrahedrally-bonded oxide semiconductors for photoelectrochemical hydrogen production |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20141111 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20141216 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150616 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20150728 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20150929 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20151026 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5830527 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |