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 PDF

Info

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
Application number
JP2013508619A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPWO2012137240A1 (en
Inventor
小島 恭子
恭子 小島
龍崎 大介
大介 龍崎
正成 藤森
正成 藤森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Publication of JPWO2012137240A1 publication Critical patent/JPWO2012137240A1/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5830527B2 publication Critical patent/JP5830527B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/30Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
    • B01J35/39Photocatalytic properties
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/04Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of inorganic compounds, e.g. ammonia
    • C01B3/042Decomposition of water
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/50Processes
    • C25B1/55Photoelectrolysis
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/06Silicon, titanium, zirconium or hafnium; Oxides or hydroxides thereof
    • B01J21/063Titanium; Oxides or hydroxides thereof
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/16Catalysts 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
    • B01J23/24Chromium, molybdenum or tungsten
    • B01J23/30Tungsten
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/36Hydrogen 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.

特開平6−126189号公報JP-A-6-126189 特開2003−288955号公報JP 2003-288955 A 特開2003−238104号公報JP 2003-238104 A 特開平7−33697号公報JP 7-33697 A

Nature 1972、238、37−38Nature 1972, 238, 37-38

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の断面図の例である。It is an example of sectional drawing of the semiconductor element of this invention. 本発明の半導体素子の断面図の例である。It is an example of sectional drawing of the semiconductor element of this invention. 本発明の半導体素子の断面図の例である。It is an example of sectional drawing of the semiconductor element of this invention. 本発明の半導体素子の断面図の例である。It is an example of sectional drawing of the semiconductor element of this invention. 水の分解の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of decomposition | disassembly of water. 水の分解反応の電位とバルク半導体のバンドギャップを示す図である。It is a figure which shows the electric potential of the decomposition reaction of water, and the band gap of a bulk semiconductor. 本発明の半導体素子の断面図の例である。It is an example of sectional drawing of the semiconductor element of this invention. 本発明の半導体素子を用いた反応実施の例である。It is an example of reaction implementation using the semiconductor element of this invention. 本発明の半導体素子を用いた反応実施の例である。It is an example of reaction implementation using the semiconductor element of this invention. 本発明の半導体素子を用いた反応実施の例である。It is an example of reaction implementation using the semiconductor element of this invention. 本発明の半導体素子を用いた反応実施の例である。It is an example of reaction implementation using the semiconductor element of this invention. 本発明の半導体素子を用いた反応実施の例である。It is an example of reaction implementation using the semiconductor element of this invention. 本発明の半導体素子の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the semiconductor element of this invention. 本発明の半導体素子の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the semiconductor element of this invention.

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 valence band 114 are excited and move to the conduction band 112. As a result, an electron 111-hole 115 pair is generated. The electrons 111 are used in the cathode reaction to generate hydrogen, and the holes 115 are used in the anode reaction to extract electrons from water and generate oxygen. In order for such a reaction to occur, it is necessary that the upper end potential of the valence band 114 is higher than the oxygen generation potential and the lower end potential of the conductor 112 is lower than the hydrogen generation potential.

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 second semiconductor layer 102 and a first semiconductor layer 103 are sequentially stacked on the electrode 101 which is a plane. The first and second semiconductor layers are formed by sputtering, CVD, vapor deposition, sol-gel method, or the like. About the formation method of the 1st and 2nd semiconductor layer, hereafter, it is common also in the other form of the photoelectrochemical reaction element of this invention.

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 second semiconductor layer 102 and a first semiconductor layer 103 are sequentially stacked on the electrode 101 which is a plane. Further, a thin photocatalytic layer 104 is formed on the first semiconductor layer 101. The photocatalyst layer 104 is formed by applying fine particles, applying a metal alkoxide solution and heating crystallization, sputtering, CVD, vapor deposition, or the like.

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 second semiconductor layer 102 and the first semiconductor layer 103 are sequentially stacked on the electrode 101 that is a flat surface, the co-catalyst 105 is added discretely. Examples of the method for adding the cocatalyst 105 include coating of fine particles, 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. Examples of materials that can be used for the promoter include platinum, silver, copper, gold, nickel oxide, ruthenium oxide, and copper oxide.

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 second semiconductor layer 102, the first semiconductor layer 103, and the photocatalyst layer 104 are sequentially stacked on the electrode 101 that is a plane, the promoter 105 is added discretely. The photocatalyst and cocatalyst used here can be the same as those in the second and third embodiments.

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 seal 131. FIG. 7 shows an example in which the element of the first embodiment is covered with a seal 131 as an example.

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 aqueous electrolyte solution 121 is placed in a container 122, and a photoelectrochemical reaction element is immersed in the aqueous electrolyte solution 121. The container 122 needs to be transparent at least on the surface on which sunlight 124 is incident. That is, it is necessary that ultraviolet light and visible light can pass through the container 122. Desirably, if the side and bottom surfaces are also transparent, the amount of incident sunlight increases, which is convenient.

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 first semiconductor layer 103 is placed on the incident side of the sunlight 124, the surface of the first semiconductor layer 103 and the electrode are generated by the action of electrons and holes generated inside the element by the incidence of sunlight 124. Gases 120 and 126 are generated on the surface 101. In the decomposition of water, oxygen is generated on the first semiconductor layer 103 side and hydrogen is generated on the electrode 101 side. The generated gas can be taken out from the gas sampling port 123. According to FIG. 8, it is possible to reduce carbon dioxide with sunlight. When carbon dioxide is blown into the electrolyte aqueous solution 121 in advance to obtain a high concentration, the reaction efficiency is improved. The reduction reaction of carbon dioxide is more convenient when the gas sampling port 123 is closed in order to prevent the diffusion of carbon dioxide and collect the reduction product. In the reduction reaction of carbon dioxide, an oxygen generation reaction by oxidation of water occurs on the first semiconductor 103 side, and methane and methanol generation by a reduction reaction of carbon dioxide occurs on the electrode 101 side.

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 gas inlet 125 is provided in the container 122, and the reaction efficiency is improved by continuously supplying the source gas containing carbon dioxide during the reaction. When the first semiconductor layer 103 is placed on the incident side of the sunlight 124, the surface of the first semiconductor layer 103 and the electrode are generated by the action of electrons and holes generated inside the element by the incidence of sunlight 124. Gases 120 and 126 are generated on the surface 101. Oxygen generation by water oxidation occurs on the first semiconductor 103 side, and methane and methanol are generated by carbon dioxide reduction reaction on the electrode 101 side.

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 aqueous solution 121 is a composition that can dissolve carbon dioxide at a high concentration in the case of ensuring conductivity or reducing carbon dioxide. The electrolyte includes sodium chloride, potassium chloride, strontium chloride, sodium sulfate, sodium nitrate, sodium hydroxide, sodium carbonate, sodium bicarbonate, potassium sulfate, potassium nitrate, potassium hydroxide, potassium carbonate, potassium bicarbonate, hydrochloric acid, sulfuric acid, Phosphoric acid, etc. are used. In the case of reduction of carbon dioxide, since alkaline can increase the concentration of carbonate ions and bicarbonate ions, it is convenient to use a basic electrolyte such as an alkali metal hydroxide or an alkali metal carbonate.

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 gas blowing port 125 is provided in the container 122, and a source gas containing carbon dioxide can be continuously supplied even during the reaction, which is effective in improving the reaction efficiency. The container 122 is filled with the gas 120 containing carbon dioxide at a high concentration, and the element of the first form installed therein is installed so that the first electrode 103 is on the incident side of the sunlight 124. Irradiation with sunlight 124 causes oxygen generation reaction by oxidation of water vapor on the first semiconductor 103 side, and methane and methanol generation by carbon dioxide reduction reaction on the electrode 101 side.

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 sunlight 124, electrons 133 and holes 132 are generated inside the first semiconductor layer 103 and the second semiconductor layer 102, and the electrons 133 and holes 132 are separated, and a reduction reaction occurs on the surface of the electrode 101. Production of hydrogen by oxygen and oxygen production by oxidation reaction occur on the surface of the first electrode 103.

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 sunlight 124, electrons 133 and holes 132 are generated inside the first semiconductor layer 103 and the second semiconductor layer 102, and the electrons 133 and holes 132 are separated, and a reduction reaction occurs on the surface of the electrode 101. Production of methane or methanol by oxygen, and oxygen production by water oxidation reaction on the surface of the first electrode 103 occur.

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、TiOとWO、ZnSとWO、TiOとSi、などがある。In FIG. 13, the lower end of the conduction band 136 of the first semiconductor layer 103 is more negative than the lower end of the conduction band 136 of the second semiconductor layer 102, and the upper end of the valence band 137 of the first semiconductor layer 103 is , Negative from the upper end of the valence band 137 of the second semiconductor layer 102. In such a structure, since the electrons 111 and the holes 115 are separated and easily flow, the loss of electrons and holes is small and the reaction efficiency can be improved. Combinations of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer that can take such a structure include SiC and CdS, TiO 2 and WO 3 , ZnS and WO 3 , TiO 2 and Si, and the like.

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 conduction band 136 of the first semiconductor layer 103 is more positive than the lower end of the conduction band 136 of the second semiconductor layer 102, and the upper end of the valence band 137 of the first semiconductor layer 103 is , Positive from the upper end of the valence band 137 of the second semiconductor layer 102. In such a structure, since the holes 115 generated in the valence band 137 of the second semiconductor layer 102 do not easily enter the first semiconductor layer 103, the thickness of the first semiconductor layer 103 is very small. The thickness is reduced, and holes generated in the second semiconductor layer 102 by the tunnel effect are extracted.

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/m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.

Figure 0005830527
第1の半導体をSiC、第2の半導体をアナターゼ型酸化チタンとし、電極をプラチナ以外の他の金属に代えた素子も作製し、同様に水の分解反応を行った。表2に結果を示す。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対して、電極をプラチナ以外の金属に変えた素子を用いた場合も水素発生を確認した。
Figure 0005830527
An element in which the first semiconductor was SiC, the second semiconductor was anatase-type titanium oxide, and the electrode was replaced with another metal other than platinum was produced, and the water decomposition reaction was similarly performed. Table 2 shows the results. For the combination of the first semiconductor and the second semiconductor shown in Table 1, hydrogen generation was also confirmed when an element in which the electrode was changed to a metal other than platinum was used.

Figure 0005830527
Figure 0005830527

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/m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/m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/m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/m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/m)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)

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、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.
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、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.
請求項1または2において、
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.
請求項1または2において、
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.
請求項1または2において、
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.
請求項1または2において、
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.
請求項1または2において、
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.
請求項1または2において、
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.
請求項3に記載の半導体素子において、
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.
請求項4に記載の半導体素子において、
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.
透明容器と、
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.
JP2013508619A 2011-04-04 2011-04-04 Semiconductor device, hydrogen production system, and methane or methanol production system Expired - Fee Related JP5830527B2 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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