JPS60143574A - Evaluation method of semiconductor photo electrochemical electrode and its equipment - Google Patents
Evaluation method of semiconductor photo electrochemical electrode and its equipmentInfo
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- JPS60143574A JPS60143574A JP58247461A JP24746183A JPS60143574A JP S60143574 A JPS60143574 A JP S60143574A JP 58247461 A JP58247461 A JP 58247461A JP 24746183 A JP24746183 A JP 24746183A JP S60143574 A JPS60143574 A JP S60143574A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
この発明は光電気化学系の光電池など、光電気化学反応
を利用して光エネルギーを電気エネルギーや水素で代表
される化学エネルギーに変換する半導体光電極反応装置
に使用される半導体光電気化学電極の特性を評価する方
法およびその装置、とりわけ半導体光電気化学電極の量
子効率および/またはエネルギー変換効率を測定する方
法および装置に関するものである。[Detailed Description of the Invention] Industrial Application Field This invention relates to a semiconductor photoelectrode, such as a photoelectrochemical type photovoltaic cell, which converts light energy into electrical energy or chemical energy represented by hydrogen by using a photoelectrochemical reaction. The present invention relates to a method and apparatus for evaluating the characteristics of a semiconductor photoelectrochemical electrode used in a reaction device, and in particular to a method and apparatus for measuring the quantum efficiency and/or energy conversion efficiency of a semiconductor photoelectrochemical electrode.
11【1
近年に至り、石油代替エネルギーとしての太陽エネルギ
ーの利用が重視されるようになり、その8−
一環として、半導体光電気化学反応を利用して光エネル
ギーを電気エネルギーに変換したり、あるいは同じ反応
を利用して水素に代表される化学エネルギーを取出す装
置、すなわち電気化学光電池が脚光を浴びている。この
電気化学光電池によって光エネルギーを電気エネルギー
にもしくは化学エネルギーに変換する場合、光を有効利
用するためには電極として量子効率やエネルギー変換効
率の高い半導体を選択する必要があり、従って半導体光
電気化学電極の開発研究においてはこれらの効率を測定
することが極めて重要である。11 [1] In recent years, emphasis has been placed on the use of solar energy as an energy alternative to petroleum. Electrochemical photovoltaic cells, which utilize the same reaction to extract chemical energy such as hydrogen, are attracting attention. When converting light energy into electrical energy or chemical energy using this electrochemical photocell, it is necessary to select a semiconductor with high quantum efficiency and energy conversion efficiency as the electrode in order to use the light effectively. Measuring these efficiencies is extremely important in electrode development research.
ところで半導体光電気化学電極の量子効率の従来の測定
方法としては、光量計によって入射光子数を測定し、そ
の値と光電極反応によって得られた光電流値とから計算
する方法が知られているが、この場合には次のような問
題があった。すなわち、上述の方法では光量計により測
定された入射光子数は全て電極面に吸収されたものとし
て計算しているが、電極面積が小さい場合や電極表面で
の反射の大きい半導体の場合などにおいてはかなりの光
量が電極に吸収されないことがあり、従って実際に半導
体電極に吸収された光子数との間で相当な誤差を生じ、
正確な量子効率の測定が困難となる。またフエリオギザ
レートのような光学光量計を用いる場合、照射光波長が
250〜500rvで有効であって、長波長では使用で
きない欠点があり、従って長波長領域では熱雷対を使用
して相対的な光量比から間接的に入射光子数をめなけれ
ばならず、その結果測定誤差も大きくなる問題がある。By the way, the conventional method for measuring the quantum efficiency of semiconductor photoelectrochemical electrodes is to measure the number of incident photons using a photometer and calculate it from that value and the photocurrent value obtained from the photoelectrode reaction. However, in this case there were the following problems. In other words, in the above method, the number of incident photons measured by the photometer is calculated assuming that they are all absorbed by the electrode surface, but in cases where the electrode area is small or in the case of a semiconductor with large reflection on the electrode surface, A considerable amount of light may not be absorbed by the electrode, thus causing a considerable error between the number of photons actually absorbed by the semiconductor electrode,
Accurate quantum efficiency measurement becomes difficult. Furthermore, when using an optical photometer such as the Feriogizarate, it is effective when the wavelength of the irradiated light is 250 to 500 rv, but cannot be used at long wavelengths. The number of incident photons must be calculated indirectly from the light intensity ratio, which results in a problem of large measurement errors.
さらに光学光量計の操作はそれほど簡単ではなく、光量
の弱い場合にはかなりの測定時間を必要とする。Moreover, optical light meters are not very easy to operate and require a considerable amount of measurement time when the light intensity is low.
このように従来の量子効率測定方法は、正確に入射光子
数をめる上において種々の問題があり、得られる吊子効
率も誤差が大きく、また測定も容易ではなかった。As described above, the conventional quantum efficiency measurement method has various problems in accurately calculating the number of incident photons, and the obtained suspension efficiency also has a large error and is not easy to measure.
発明の目的
この発明は以上の事情に鑑みてなされたものであって、
従来の半導体光電気化学電極の評価方法、評価装置と全
く異なる新しい評価方法および装置を提供することを基
本的な目的とするものである。Purpose of the invention This invention was made in view of the above circumstances, and
The basic objective is to provide a new evaluation method and device that are completely different from conventional evaluation methods and devices for semiconductor photoelectrochemical electrodes.
そしてこの発明は、本発明者等が別途に新し〈発明した
光熱分光法(P T S : P hototherm
alS pectroscopy )を応用した新規な
半導体光電気化学電極の評価方法および装置を提供する
ことを目的とする。This invention is based on the photothermal spectroscopy (PTS), which was separately invented by the present inventors.
The purpose of the present invention is to provide a novel method and apparatus for evaluating semiconductor photoelectrochemical electrodes using alS spectroscopy.
従来、各種物質の吸光スペクトルを測定するための光に
よる分光法としては、光の透過度を測定することによっ
てその逆数である吸光度をめる吸光度測定法が広く知ら
れており、また最近では光音響効果を利用して吸光度を
測定する光音響分光法が開発されている。これに対し本
発明者等は、新しい第3の分光法とも称さるべき光熱分
光法を開発している。この光熱分光法は、試料に波長の
異なる光を照射して、試料に接触して配置したサーミス
ター等の高感度感熱素子によって照射した光の波長に対
する試料の温度上昇値を直接検出して、照射光に対する
試料の温度上昇のスペクトルを測定するものである。Conventionally, the absorbance measurement method, which measures the transmittance of light and calculates its reciprocal absorbance, has been widely known as a spectroscopic method using light to measure the absorption spectra of various substances. Photoacoustic spectroscopy has been developed to measure absorbance using acoustic effects. In response, the present inventors have developed a photothermal spectroscopy method that should also be referred to as a new third spectroscopy method. This photothermal spectroscopy involves irradiating a sample with light of different wavelengths and directly detecting the temperature rise value of the sample relative to the wavelength of the irradiated light using a highly sensitive thermosensitive element such as a thermistor placed in contact with the sample. It measures the spectrum of temperature rise of a sample in response to irradiation light.
本発明者等は上述の光熱分光法の応用について11一
種々検討した結果、光熱分光法の手法を利用することに
よって半導体光電気化学電極の量子効率とエネルギー変
換効率を正確かつ迅速に測定し得ることを見出し、この
発明をなすに至ったのである。As a result of examining 11 applications of the photothermal spectroscopy described above, the present inventors found that the quantum efficiency and energy conversion efficiency of semiconductor photoelectrochemical electrodes can be accurately and quickly measured by using the photothermal spectroscopy technique. They discovered this and came up with this invention.
すなわち、光を吸収した半導体電極において電気エネル
ギーや化学エネルギーとして利用されないエネルギーは
熱として放出されるであろうことから、半導体表面の温
度を測定することによって特に効率に関する情報が得ら
れる筈と予測し、実験検討を重ねた結果、実際に量子効
率およびエネルギー変換効率を知得し得ることを見出し
、この発明をなすに至った。In other words, since the energy that is not used as electrical energy or chemical energy in the semiconductor electrode that absorbs light will be released as heat, we predict that information regarding efficiency can be obtained by measuring the temperature of the semiconductor surface. As a result of repeated experimental studies, the inventors discovered that quantum efficiency and energy conversion efficiency can actually be obtained, leading to the creation of this invention.
したがってこの発明は半導体光電気化学電極の評価を正
確かつ迅速に行なうことができ、かつ測定方法および装
置が複雑でなく取り扱い容易な半導体光電気化学電極の
評価方法および装置を提供することを目的とする。Therefore, an object of the present invention is to provide a method and apparatus for evaluating semiconductor photoelectrochemical electrodes that can accurately and quickly evaluate semiconductor photoelectrochemical electrodes, and that are not complicated and easy to handle. do.
unと4羞工
上述のような目的を達成するため、この発明の半導体電
極評価方法および装置は、次のような構12−
成とされる。In order to achieve the above-mentioned objectives, the semiconductor electrode evaluation method and apparatus of the present invention have the following configuration.
すなわち第1発明の半導体光化学電極評価方法は、周囲
から熱的に分離された試料室内に電解液を収容し、かつ
その電解液中に評価すべき半導体電極とともに基準電極
および対極を浸漬し、その半導体電極に、基準電極に対
する電位を予め設定したプログラムに従って蛮化させて
電圧を印加する状態および半導体電極を開回路とした状
態のそれぞれにおいて、選択された波長の光を前記半導
体電極に予め定められたように断続して照射してその照
射光による半導体電極の温度上昇を直接検出し、電圧印
加状態における照射光による半導体電極の温度上昇値お
よび開回路状態における照射光による太陽電池の温度上
昇値と、電圧印加状態における半導体電極の基準電極に
対する電位とを用いて半導体電極の量子効率および/ま
たはエネルギー変換効率をめることを特徴とするもので
ある。That is, in the semiconductor photochemical electrode evaluation method of the first invention, an electrolytic solution is contained in a sample chamber that is thermally isolated from the surroundings, and a reference electrode and a counter electrode are immersed together with the semiconductor electrode to be evaluated in the electrolytic solution. Light of a selected wavelength is applied to the semiconductor electrode in a state in which a voltage is applied to the semiconductor electrode by increasing the potential with respect to the reference electrode according to a preset program, and in a state in which the semiconductor electrode is made an open circuit. The temperature rise of the semiconductor electrode due to the irradiation light is directly detected by intermittent irradiation as described above, and the temperature rise value of the semiconductor electrode due to the irradiation light in a voltage applied state and the temperature rise value of the solar cell due to the irradiation light in an open circuit state is measured. This method is characterized in that the quantum efficiency and/or energy conversion efficiency of the semiconductor electrode is determined using the potential of the semiconductor electrode with respect to a reference electrode in a voltage applied state.
ここで量子効率の具体的なめ方は次の通りである。すな
わち、電圧印加状態において印加電位を変えて検出した
半導体電極の照射光による温度上昇値を開回路状態にお
ける半導体電極の照射光による温度上昇値で規格化し、
かつその規格化された各濃度上昇値に照射光の波長で定
まるエネルギーを乗じた値を縦軸に、半導体電極に印加
した電位からグラフ1へバンド電位を差引いた電位を横
軸にとってグラフを作成し、そのグラフ上における充電
流飽和領域内の各点を直線で近似し、その直線の傾きを
半導体N極の量子効率として用いる。Here, the specific way to measure quantum efficiency is as follows. That is, the temperature rise value of the semiconductor electrode due to the irradiation light detected while changing the applied potential in the voltage application state is normalized by the temperature rise value due to the irradiation light of the semiconductor electrode in the open circuit state,
Create a graph with the value obtained by multiplying each standardized concentration increase value by the energy determined by the wavelength of the irradiated light on the vertical axis and the potential obtained by subtracting the band potential from graph 1 from the potential applied to the semiconductor electrode on the horizontal axis. Then, each point within the charge flow saturation region on the graph is approximated by a straight line, and the slope of the straight line is used as the quantum efficiency of the semiconductor N pole.
一方エネルギー変換効率の具体的求め方は次の通りであ
る。すなわち、前記同様にして作成したグラフ上におけ
る近似直線を外挿した値に対して電極反応熱を補正演算
して、無輻躬失活や再結合により生しる熱をめ、その値
を照射光の波長、照射光強度、照射時間で定まる入射光
総エネルギーから差引いて、その差引いた値を前記総エ
ネルギーで割算して半導体電極のエネルギー変換効率を
める。On the other hand, the specific method for determining energy conversion efficiency is as follows. That is, the electrode reaction heat is corrected for the value obtained by extrapolating the approximate straight line on the graph created in the same manner as above, and the heat generated by non-radiative deactivation and recombination is calculated, and that value is used for irradiation. The energy conversion efficiency of the semiconductor electrode is determined by subtracting it from the total energy of the incident light determined by the wavelength of the light, the intensity of the irradiated light, and the irradiation time, and dividing the subtracted value by the total energy.
なお上述の直線近似は例えば最小自乗法によってなされ
る。Note that the above-mentioned linear approximation is performed, for example, by the method of least squares.
またに第2発明の半導体光電気化学電極評価装置は、
周囲から熱的に分離された、電解液を収容する試料室と
、
評価すべき半導体電極とともに前記試料室内の電解液中
に浸漬される基準電極および対極と、前記半導体fit
!i+と対極との間に、基準電極に対する半導体電極の
電位が予め設定したプログラムに従って変化するように
電圧を印加する手段と、前記試料室内の電解液中に浸漬
された半導体電極に対して選択された波長の光を照射す
る照射手段と、
照射光による半導体電極の温度上昇を直接検出する温度
検出手段と、
前記温度検出手段からの検出信号および半導体電極の標
準電極に対する電位を記憶・演算する記憶演算手段とを
有してなり、
前記記憶演算手段は、前記半導体電極を開回路とした状
態において前記温度検出手段により検出された半導体電
極の照射光による温度上昇値と、15−
電圧印加状態において半導体電極の基準電極に対する電
位に対応して前記温度検出手段により検出された半導体
電極の照射光による)8度上昇値および半導体電極の電
位を記憶・演算して半導体電極の量子効率および7/ま
たはエネルギー変換効率をめるようにされていることを
特徴とするものである。Furthermore, the semiconductor photoelectrochemical electrode evaluation device of the second invention comprises: a sample chamber containing an electrolyte that is thermally isolated from the surroundings; and a semiconductor electrode to be evaluated that is immersed in the electrolyte in the sample chamber. a reference electrode and a counter electrode, and the semiconductor fit
! means for applying a voltage between i+ and a counter electrode such that the potential of the semiconductor electrode relative to the reference electrode changes according to a preset program; irradiation means for irradiating light with a wavelength of light; temperature detection means for directly detecting the temperature rise of the semiconductor electrode due to the irradiation light; and memory for storing and calculating the detection signal from the temperature detection means and the potential of the semiconductor electrode with respect to a standard electrode. arithmetic means; the storage arithmetic means is configured to calculate a value of the temperature rise of the semiconductor electrode due to the irradiation light, which is detected by the temperature detection means when the semiconductor electrode is in an open circuit state; The quantum efficiency and/or It is characterized by being designed to increase energy conversion efficiency.
ここで前記記憶演算手段は、電圧印加状態において印加
電位を変えて前記温度検出手段により検出された半導体
電極の照射光による温度上昇値と、開回路状態において
温度検出手段により検出された半導体電極の照射光によ
る温度上昇値とを記憶して、その記憶された電圧印加状
態における各温度上昇値を記憶された開回路状態におけ
る温度上昇値で規格化し、かつその規格化された各温度
上昇値に照射光の波長で定まるエネルギーを乗じた値を
、半導体電極に印加した電位からフラン1〜バンド電位
を差引いた電位に対する関数として記憶し、その関数に
おける光宵流飽和領域内の多値を直線で近似し、その直
線の傾きを演算によりめ16−
て半導体電極の量子効率としてデータ出力するようにさ
れている。Here, the storage/arithmetic means stores a temperature increase value of the semiconductor electrode due to the irradiation light detected by the temperature detection means by changing the applied potential in the voltage application state, and a temperature rise value of the semiconductor electrode detected by the temperature detection means in the open circuit state. The temperature rise value caused by the irradiation light is stored, and each temperature rise value in the stored voltage application state is normalized by the stored temperature rise value in the open circuit state, and each of the normalized temperature rise values is The value multiplied by the energy determined by the wavelength of the irradiated light is stored as a function of the potential obtained by subtracting the furan 1 to band potential from the potential applied to the semiconductor electrode, and the multivalues in the light current saturation region of that function are expressed as a straight line. The approximation is made, and the slope of the straight line is calculated to output data as the quantum efficiency of the semiconductor electrode.
また前記記憶演算手段は、前記同様に、電圧印加状態に
おいて印加電位を変えて前記温度検出手段により検出さ
れた半導体電極の照射光による温度上昇値と、開回路状
態において温度検出手段により検出された半導体電極の
照射光による温度上昇値とを記憶して、その記憶された
電圧印加状態における各温度上昇値を記憶された開回路
状態における温度上昇値で規格化し、かつその規格化さ
れた各温度上昇値に照射光の波長で定まるエネルギーを
乗じた値を、半導体電極に印加した電位からフラットバ
ンド電位を差引いた電位に対する関数として記憶し、そ
の関数における充電流飽和領域内の多値を直線で近似し
、さらにその近似直線を外挿した値に対して電極反応熱
を補正演算して、無輻射失括ヤ再結合により生じる熱を
め、その値を照射光の波長、照射光強度、照射時間で定
まる入射光総エネルギーから差引いて、その差引いた値
を前記総エネルギーで1j算して半導体電極のエネルギ
ー変換効率としてデータ出力するようにされている。Further, the memory calculation means similarly stores the temperature rise value of the semiconductor electrode due to the irradiation light detected by the temperature detection means by changing the applied potential in the voltage application state, and the temperature increase value detected by the temperature detection means in the open circuit state. The temperature rise value of the semiconductor electrode due to the irradiation light is stored, and each temperature rise value in the stored voltage application state is normalized by the stored temperature rise value in the open circuit state, and each of the normalized temperatures is The value obtained by multiplying the increase value by the energy determined by the wavelength of the irradiated light is stored as a function of the potential obtained by subtracting the flat band potential from the potential applied to the semiconductor electrode, and the multivalues in the charge flow saturation region of that function are plotted as a straight line. After approximating, and then extrapolating the approximation straight line, the electrode reaction heat is corrected and calculated to calculate the heat generated by non-radiative decoupling and recombination. It is subtracted from the total energy of incident light determined by time, the subtracted value is calculated by 1j by the total energy, and data is output as the energy conversion efficiency of the semiconductor electrode.
さらに前記照射光手段は、光源と、その光源からの光か
ら半導体電極に照射すべき波長の光を選択するための波
長選択器と、半導体電極に対する照射光を断続するため
の照射光断続手段とを備えた構成とされている。Furthermore, the irradiation light means includes a light source, a wavelength selector for selecting light of a wavelength to be irradiated onto the semiconductor electrode from the light from the light source, and an irradiation light intermittent means for intermittent the irradiation light to the semiconductor electrode. It is said to be configured with the following.
ここで前記波長選択器は、光源からの光を分光する分散
素子を有する分光器、もしくはそれぞれ異なる波長帯域
を有する複数個のバンドパスフィルタで構成されている
。Here, the wavelength selector is composed of a spectroscope having a dispersion element that separates light from a light source, or a plurality of bandpass filters each having a different wavelength band.
また前記照射光断続手段は、光遮断器(いわゆるシャッ
ター)と、その光遮断器を半導体電極に対する照射光の
光路に挿入および離脱させるための駆動手段と、その駆
動手段を制御する制御部とから構成され、その光遮断器
は、その開放のタイミングが前記温度検出手段の出力信
号を処理判定した結果によりIQ tiOされかつ遮断
のタイミングが予め設定した開放時間でなされるように
構成される。The irradiation light intermittent means includes a light interrupter (so-called shutter), a drive means for inserting and removing the light interrupter into and out of the optical path of the irradiation light to the semiconductor electrode, and a control unit for controlling the drive means. The optical circuit breaker is configured such that its opening timing is IQtiO based on the result of processing and determining the output signal of the temperature detecting means, and its cutting timing is set at a preset opening time.
また前記照射光断続手段は、光遮断器と、その光遮断器
を半導体電極に対する照射光の光路に挿入および離脱さ
せるための駆動手段と、その駆動手段を制御する制御部
とから構成され、その$1 ’lid部は光遮断器の開
放時間および遮断時間を設定するためのタイマーを備え
た構成とされる。Further, the irradiation light intermittent means includes an optical interrupter, a driving means for inserting and removing the optical interrupter into and out of the optical path of the irradiating light to the semiconductor electrode, and a control section for controlling the driving means. $1' The lid section is equipped with a timer for setting the opening time and cut-off time of the optical interrupter.
あるいはまた前記照射光断続手段は、光透過部および光
遮蔽部を交番的に形成した光断続器(いわゆるチョッパ
ー)と、その光断続器を駆動する駆動手段と、その駆動
手段を制御する制御部とによって構成され、予め設定し
た速度で前記光断続器の駆動速度を制御することによっ
て照射・遮断時間が制御されるように構成される。Alternatively, the irradiation light intermittent means may include an optical interrupter (so-called chopper) in which a light transmitting part and a light shielding part are alternately formed, a driving means for driving the optical interrupter, and a control section for controlling the driving means. The irradiation/interruption time is controlled by controlling the driving speed of the optical interrupter at a preset speed.
一方前記温度検出手段は、測定範囲内において実質的に
特性が同じ2個の感熱素子と、同感熱素子の出力の差を
検出する回路とによって構成し、一方の感熱素子は半導
体電極の温度を直接検出するべく半導体電極に接触して
配置するとともに、他方の感熱素子は半導体電極の周囲
の電解液の温度を検出するべく半導体電極近傍に配置し
、同感19−
熱素子の出力の差を検出することにより周囲の温度変化
の影響を除去した半導体電極のみの温度上昇を検出する
ように構成する。On the other hand, the temperature detection means is composed of two heat-sensitive elements having substantially the same characteristics within the measurement range, and a circuit for detecting the difference in output between the heat-sensitive elements, and one heat-sensitive element detects the temperature of the semiconductor electrode. The other heat-sensitive element is placed in contact with the semiconductor electrode for direct detection, and the other heat-sensitive element is placed near the semiconductor electrode to detect the temperature of the electrolyte around the semiconductor electrode. By doing so, it is configured to detect a temperature rise only in the semiconductor electrode, which eliminates the influence of ambient temperature changes.
ここで前記出力差検出回路は、前記同感熱素子を組込ん
だ直流ブリッジもしくは交流ブリッジで構成される。Here, the output difference detection circuit is constituted by a DC bridge or an AC bridge incorporating the same heat-sensitive element.
実施例
以下この発明の半導体光化学電極電極の評価方法および
評価装Wの実施例について図面を参照して詳細に説明す
る。EXAMPLES Hereinafter, examples of the semiconductor photochemical electrode evaluation method and evaluation device W of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
第1図はこの発明の半導体光化学電極評価方法に使用さ
れる装置の一例、すなわち第2発明の一実施例を示すも
のであって、周囲から熱的に分離された試料室2内には
電解液が収容されており、その電解液中には、評価対象
となる半導体電極1とともに飽和カロメル電極などから
なる基準電極31および対極32が浸漬されている。こ
れらの電極1.31.32には、スイッチなどの開閉手
段34を介して電位印加部33が接続されている。FIG. 1 shows an example of the apparatus used in the semiconductor photochemical electrode evaluation method of the present invention, that is, an embodiment of the second invention. A reference electrode 31 and a counter electrode 32 made of a saturated calomel electrode or the like are immersed in the electrolytic solution together with the semiconductor electrode 1 to be evaluated. A potential applying section 33 is connected to these electrodes 1, 31, 32 via an opening/closing means 34 such as a switch.
この電位印加部33は、半導体電極1と対極3220−
との間に、基準電極31に対する半導体電極1の電位が
予め設定したプログラムに従って変化するように電圧を
印加するものであり、後述するデータ処理・制御11部
27の制御部27Cからの信号によって半導体電極1の
電位が制御されるように構成される。なお電位印加部3
3には図示しない電流検出手段が内蔵されており、この
電流検出手段により検出された半導体電極1に流れる電
流値1および半導体電極1の基準電極31に対する電位
Vがデータ処理・制御部27の記憶演算部27Aに送ら
れる。This potential applying section 33 applies a voltage between the semiconductor electrode 1 and the counter electrode 3220- so that the potential of the semiconductor electrode 1 with respect to the reference electrode 31 changes according to a preset program, and performs data processing to be described later. - It is configured so that the potential of the semiconductor electrode 1 is controlled by a signal from the control section 27C of the control section 27. Note that the potential application section 3
3 has a built-in current detection means (not shown), and the current value 1 flowing through the semiconductor electrode 1 detected by this current detection means and the potential V of the semiconductor electrode 1 with respect to the reference electrode 31 are stored in the data processing/control unit 27. It is sent to the calculation section 27A.
前記試料室2は、図示の例では断熱材からなる内壁2A
と同じく断熱材からなる外壁2Bとの二重壁で構成し、
その内壁2Aと外壁2Bとの間の空間に液体3を充填し
て、より断熱性に優れた構成としているが、場合によっ
ては一重の壁でもよい。その試料室2の外壁2Bの一方
の面には照射光を半導体電極に向けて集光するための集
光レンズ3が設けられており、また内壁2Aには集光レ
ンズ3に対応する位置に透過窓4が設けられてぃる。し
たがって試料室外部からの照射光は集光レンズ3および
透過窓4を介して半導体電極1に照射される。なお光源
がレーザー光のような場合には、集光レンズは不要であ
る。In the illustrated example, the sample chamber 2 has an inner wall 2A made of a heat insulating material.
Consisting of a double wall with the outer wall 2B made of insulation material as well,
The space between the inner wall 2A and the outer wall 2B is filled with liquid 3 to provide better heat insulation, but a single wall may be used depending on the case. A condenser lens 3 for condensing the irradiated light toward the semiconductor electrode is provided on one surface of the outer wall 2B of the sample chamber 2, and a condenser lens 3 is provided on the inner wall 2A at a position corresponding to the condenser lens 3. A transparent window 4 is provided. Therefore, irradiation light from outside the sample chamber is irradiated onto the semiconductor electrode 1 via the condenser lens 3 and the transmission window 4. Note that when the light source is a laser beam, a condensing lens is not necessary.
前記半導体N槓1にはその半導体電fiilの温度を検
出するための高感度感熱素子5、例えばサーミスタが直
接取付けられ、またその半導体電極1の近傍の位置には
前記半導体電極用の感熱素子5と実質的に特性が同じサ
ーミスタ等の高感度感熱素子からなる参照用の感熱素子
6が配置されている。後者の感熱素子6は、半導体電[
1の周囲のの電解液温度による測定誤差への影響を除去
して、半導体電極11体の温度上昇を検出するために設
けられている。なおいずれの感熱索子5.6も直接照射
光が入射されない位置に配置することが望ましい。A high-sensitivity heat-sensitive element 5, such as a thermistor, for detecting the temperature of the semiconductor electrode 1 is directly attached to the semiconductor electrode 1, and a heat-sensitive element 5 for the semiconductor electrode is installed near the semiconductor electrode 1. A reference heat-sensitive element 6 made of a high-sensitivity heat-sensitive element such as a thermistor having substantially the same characteristics as the reference heat-sensitive element 6 is arranged. The latter heat-sensitive element 6 is a semiconductor electric [
The sensor electrode 11 is provided to detect a temperature rise of the semiconductor electrode 11 by eliminating the influence of the electrolyte temperature around the electrode 1 on measurement errors. Note that it is desirable that each of the heat-sensitive cables 5.6 be disposed at a position where no direct irradiation light is incident thereon.
さらに試料室2内には、集光レンズ3から半導体電極1
に至る照射光路付近に必要に応じてハーフミラ−7が配
設されている。このハーフミラ−7は、後述する光18
の波長分布に対する較正を行って、光源8の波長による
強度のばらつきに起因する測定誤差を解消するため(す
なわち出力データの規格化のため)、照射光の一部を必
要に応じて試料室2内の電解液中に浸漬させたカーボン
ブラック9に導くためのものであり、図示しないモータ
等の回転駆動手段により、照射光路中の位置(すなわち
照射光の一部をカーボンブラック9へ反射させる位置)
と、照射光路から離脱した位置(すなわち照射光の一部
をカーボンブラック9へ反射させない位置)との間で回
転もしくは進退移動せしめられるように構成されている
。そして前記カーボンブラック9にも、前述の各感熱素
子5.6と実質的に同じ特性のサーミスタ等の標準用感
熱素子10が、照射光を直接受けない位置に取付けられ
ている。なお前述のごとき光源8の波長分布の較正を行
なわない通常の測定時においてはハーフミラ−6は照射
光路から離脱させておく。Furthermore, a semiconductor electrode 1 is inserted into the sample chamber 2 from a condenser lens 3.
A half mirror 7 is disposed as necessary near the irradiation optical path leading to the irradiation light path. This half mirror 7 has a light 18 which will be described later.
In order to calibrate the wavelength distribution of the light source 8 and eliminate measurement errors caused by variations in intensity depending on the wavelength of the light source 8 (in other words, to standardize the output data), a part of the irradiated light is transferred to the sample chamber 2 as necessary. The position in the irradiation optical path (i.e., the position where part of the irradiation light is reflected to the carbon black 9 )
and a position separated from the irradiation optical path (that is, a position where a part of the irradiation light is not reflected to the carbon black 9). A standard heat-sensitive element 10, such as a thermistor, having substantially the same characteristics as each of the above-mentioned heat-sensitive elements 5.6 is also attached to the carbon black 9 at a position that does not directly receive irradiation light. Incidentally, during normal measurement without calibrating the wavelength distribution of the light source 8 as described above, the half mirror 6 is kept out of the irradiation optical path.
前記光源8は、高輝度光源例えばキセノン光源等からな
るものであり、その前面側には光源8からの不要な赤外
領域の光をカットするフィルタ123−
1と、集光レンズ12とがその順に配置されている。さ
らにその集光レンズ12と試料室2の側の集光レンズ3
との間の光路には、第1の照射光断続手段13の一部を
構成する光遮断器どしてのシャッター14と、第2の照
射光断続手段15の一部を構成する回転型の光断続器と
してのチョッパー16と、波長選択器としての分光器1
7とがその順に設けられている。The light source 8 is composed of a high-intensity light source, such as a xenon light source, and a filter 123-1 for cutting unnecessary infrared light from the light source 8 and a condensing lens 12 are mounted on the front side thereof. They are arranged in order. Furthermore, the condenser lens 12 and the condenser lens 3 on the sample chamber 2 side
On the optical path between the A chopper 16 as an optical interrupter and a spectrometer 1 as a wavelength selector
7 are provided in that order.
前記シャッター14は、そのシャッターを光路中に挿入
および離脱させて光路の開閉を行うためのモータ等の駆
動手段18に連結されており、そのシャッター駆動手段
18はこれを駆動制御するための駆動回路19に電気的
に接続されている。The shutter 14 is connected to a driving means 18 such as a motor for opening and closing the optical path by inserting and removing the shutter into and out of the optical path, and the shutter driving means 18 includes a driving circuit for driving and controlling the shutter. It is electrically connected to 19.
一方チョッパ−16は、回転中心に対し所定角度をなす
範囲が切欠かれて光透過部とされ、残りの角度範囲が光
遮蔽部とされて、予め設定した回転速度で回転させるこ
とにより所要の周期で光路の開閉が繰返されるように構
成されている。このチョッパー16にはモータ等のチョ
ッパー駆動手段20が連結されており、そのチョッパー
駆動手段24−
20にはこれを駆動制御するための駆動回路21が電気
的に接続されている。なおチョッパー16に対しては、
そのチョッパー16による光路の開閉と同期した信号を
出力させるための同期信号発生器22が付設されている
。On the other hand, in the chopper 16, a range forming a predetermined angle with respect to the center of rotation is cut out to serve as a light transmitting part, and the remaining angular range is used as a light shielding part. The structure is such that the optical path is repeatedly opened and closed. A chopper drive means 20 such as a motor is connected to the chopper 16, and a drive circuit 21 for driving and controlling the chopper drive means 24-20 is electrically connected. For Chopper 16,
A synchronization signal generator 22 is attached to output a signal synchronized with the opening and closing of the optical path by the chopper 16.
なお上述の例ではシャッター14等からなる第1の照射
光断続手段13と、チョッパー16等からなる第2の照
射光断続手段15との両者を設置した構成としたが、実
際には両者をともに設置しておく必要はなく、いずれか
一方のみを設置しておいても良い。In the above example, the first irradiation light intermittent means 13 consisting of the shutter 14 etc. and the second irradiation light intermittent means 15 consisting of the chopper 16 etc. are both installed, but in reality both are installed. It is not necessary to install them, and only one of them may be installed.
前記分光器17は、光源8から半導体′Ntii1に照
射すべき照射光の波長を選択するためのものであって、
回折格子等の分散素子17Aを回転させて選択波長を変
化させるための波長選択用駆動器23が付設されている
。なお波長選択器としては、分光器17の代りに、それ
ぞれ異なる波長帯域を有する複数のバンドパスフィルタ
で構成し、光源8からの光が通過すべきフィルタを交換
することにより半導体電極1に対する照射光の波長を選
択するように構成しても良い。この場合複数のフィルタ
を例えば回転円板に取付け、例えばモータ等の波長選択
用駆動器によりその回転円板を回転させることによって
半導体電極1への照射光の波長を変えるように構成する
ことができる。The spectroscope 17 is for selecting the wavelength of the irradiation light to be irradiated from the light source 8 to the semiconductor 'Ntii1,
A wavelength selection driver 23 is attached to rotate the dispersion element 17A such as a diffraction grating to change the selected wavelength. Note that the wavelength selector is constructed of a plurality of bandpass filters each having a different wavelength band instead of the spectroscope 17, and by replacing the filter through which the light from the light source 8 should pass, the light irradiated onto the semiconductor electrode 1 can be changed. The configuration may be such that the wavelength of the wavelength is selected. In this case, a plurality of filters can be attached to a rotating disk, for example, and the wavelength of the light irradiated to the semiconductor electrode 1 can be changed by rotating the rotating disk using a wavelength selection driver such as a motor. .
なお場合によっては光1[18として高輝度光源の代り
に単一波長レーザー光源あるいは可変波長レーザー光源
を用いても良く、その場合には分光器17などの波長選
択器を省くことができる。In some cases, a single wavelength laser light source or a variable wavelength laser light source may be used as the light 1 [18] instead of the high-intensity light source, and in that case, a wavelength selector such as the spectrometer 17 can be omitted.
前記半導体電極用感熱素子5および参照用感熱素子6は
、それらの出力差を検出する出力差検出回路40に接続
されている。この出力差検出回路40は、周囲の電解液
温度の影響を除去した半導体電極1のみの温度上昇値を
検出するだめのもので、図示の例では前記感熱素子5.
6をそれぞれ一端に組込んだ交流ブリッジ24と、その
交流ブリッジ24を駆動するための例えば10kHzの
交流信号を発生する発振器25とから構成されている。The semiconductor electrode heat-sensitive element 5 and the reference heat-sensitive element 6 are connected to an output difference detection circuit 40 that detects the output difference between them. This output difference detection circuit 40 is only for detecting the temperature rise value of the semiconductor electrode 1, which removes the influence of the surrounding electrolyte temperature.
The oscillator 25 is composed of an AC bridge 24 having a 10kHz AC signal, for example, for driving the AC bridge 24.
この交流ブリッジ24の出力は同期検出回路26に送ら
れる。この同期検出回路26は、前記発振器25の交流
信号と同期して交流ブリッジ24の出力を同期整流(同
期検波)するためのものであり、従って同期検出回路2
6の出力レベルが周囲温度を補正した半導体電極1の温
度上昇値に相当する。そしてこの同期検出回路26の出
力はデータ処理・制御部27へ送られる。The output of this AC bridge 24 is sent to a synchronization detection circuit 26. This synchronous detection circuit 26 is for synchronous rectification (synchronous detection) of the output of the AC bridge 24 in synchronization with the AC signal of the oscillator 25, and therefore the synchronous detection circuit 26
The output level 6 corresponds to the temperature rise value of the semiconductor electrode 1 after correcting the ambient temperature. The output of this synchronization detection circuit 26 is sent to a data processing/control section 27.
ここで前記同期検出回路26は、照射光断続手段として
チョッパー16を用いる場合には、交流ブリッジ24の
駆動用の交流信号とチョッパー16の同期信号(同期信
号発生器22が発生する信号)との2種の信号に同期さ
せた二重同期検波とする。Here, when the chopper 16 is used as the irradiation light intermittent means, the synchronization detection circuit 26 detects the difference between the AC signal for driving the AC bridge 24 and the synchronization signal of the chopper 16 (signal generated by the synchronization signal generator 22). Double synchronous detection synchronized with two types of signals is used.
なお上述の例では出力差検出回路40を交流ブリッジ2
4で構成したが、場合によっては直流ブリッジで構成し
ても良いことはもちろんである。In the above example, the output difference detection circuit 40 is connected to the AC bridge 2.
4, but it is of course possible to use a DC bridge depending on the case.
なおまた前述のように必要に応じて設置される標準用カ
ーボンブラック9に関しても、周囲の電解液の温度の影
響を除去したカーボンブラック自体の温度上昇値を検出
するように構成する。すなわち、カーボンブラック9に
取付けられた標準用27−
感熱素子10も前記出力差検出回路40に接続し、その
出力差検出回路40を、半導体電極用感熱素子5と参照
用感熱素子6との出力差を検出するブリッジおよび標準
用感熱素子10と参照用感熱素子6との出力差を検出す
るブリッジを組合わせた二重のブリッジで構成すること
ができる。また場合によっては単独のブリッジの一端を
、前記半導体N極用感熱素子5と参照用感熱素子10と
で切替えるように構成しても良い。Furthermore, as mentioned above, the standard carbon black 9 installed as needed is also configured to detect the temperature rise value of the carbon black itself, which has been removed from the influence of the temperature of the surrounding electrolyte. That is, the standard 27-thermal element 10 attached to the carbon black 9 is also connected to the output difference detection circuit 40, and the output difference detection circuit 40 is used to detect the output of the semiconductor electrode heat-sensitive element 5 and the reference heat-sensitive element 6. It can be configured with a double bridge that combines a bridge for detecting a difference and a bridge for detecting an output difference between the standard heat-sensitive element 10 and the reference heat-sensitive element 6. Further, depending on the case, one end of a single bridge may be configured to be switched between the semiconductor N-electrode heat-sensitive element 5 and the reference heat-sensitive element 10.
なお前述の例では標準用カーボンブラック9の周囲の電
解液温度を検出する手段として半導体電t111の電解
液周囲温度を検出するための感熱素子を共通に用いてい
るが、場合によっては別の感熱素子をカーボンブラック
9の近傍の電解液中に設置しても良い。In the above example, a heat-sensitive element for detecting the temperature of the electrolyte around the standard carbon black 9 is commonly used as a means for detecting the temperature of the electrolyte around the standard carbon black 9, but in some cases, a different heat-sensitive element may be used. The element may be placed in the electrolyte near the carbon black 9.
前記データ処理・制御部27は、前記電位印加部33か
らの半導体電極1の電位Vおよび電F&Iと同期検出回
路26の出力(半導体!1i1の温度上昇値)を記憶お
よび演算づる記憶演算部27Aと、その記憶演算部27
Aで得られたデータを表28−
示する表示部27Bと、予め設定したプログラムや前記
記憶演算部27Aからの信号等に応じて前記電位印加部
33による半導体電極1の電位や、シャッター駆動回路
19、チョッパー駆動回路21などの動作を制御する制
御部27Cとを有する構成とされている。The data processing/control unit 27 includes a storage and calculation unit 27A that stores and calculates the potential V of the semiconductor electrode 1 from the potential application unit 33 and the output of the electric F&I and the synchronization detection circuit 26 (temperature rise value of the semiconductor!1i1). and its memory calculation unit 27
The display section 27B shows the data obtained in Table 28-A, and the potential of the semiconductor electrode 1 by the potential application section 33 and the shutter drive circuit according to a preset program and signals from the storage and calculation section 27A. 19, a control section 27C that controls the operation of the chopper drive circuit 21 and the like.
ここでシャッター駆動回路19の制御に関しては、例え
ば111111部27Cを、前記同期検出回路26から
出力される半導体電極自体の温度上昇値に相当する信号
を処理・判定する判定回路と、シャッター14の開放時
間を設定するタイマーとを備えた構成とし、温度上昇値
信号を処理判定した結果に基いてシャッター開放指令信
号を出力させるとともに、タイマーに設定された開放時
間が経過した時にシャッター遮断指令信号を出力させれ
ば良い。上述のように半導体電極温度上昇値信号を処理
・判定する判定回路としては、具体的には、濃度上昇値
を微分する回路およびその微分値を基準レベルと比較判
定する回路によって構成し、温度上昇値の微分値が負の
値である場合(すなわち温度上昇値が下降しつつあると
き)に、その微分値の絶対値があるレベル以下となった
時にシャッター開放指令信号を出力するように構成すれ
ば良い。Regarding the control of the shutter drive circuit 19, for example, the 111111 section 27C is used as a determination circuit that processes and determines a signal corresponding to the temperature rise value of the semiconductor electrode itself output from the synchronization detection circuit 26, and a determination circuit that processes and determines the signal corresponding to the temperature rise value of the semiconductor electrode itself output from the synchronization detection circuit 26, and It has a configuration that includes a timer for setting the time, and outputs a shutter opening command signal based on the result of processing and determining the temperature rise value signal, and also outputs a shutter closing command signal when the opening time set in the timer has elapsed. Just let it happen. Specifically, the determination circuit that processes and determines the semiconductor electrode temperature increase value signal as described above is configured by a circuit that differentiates the concentration increase value and a circuit that compares and determines the differential value with a reference level. If the differential value of the value is a negative value (that is, when the temperature increase value is decreasing), the shutter opening command signal should be output when the absolute value of the differential value becomes below a certain level. Good.
あるいはまたシャッター駆動回路の制御に関しては、制
御部27Cがシャッター14の遮断時間を設定するタイ
マーとシャッター14の開放時間を設定するタイマーと
を備えた構成とし、設定された遮断時間が経過した時点
でシャッター開放指令信号を出力し、設定された開放時
間が経過した時点でシャッター遮断指令信号を出力する
ように構成しても良い。Alternatively, regarding the control of the shutter drive circuit, the control unit 27C is configured to include a timer for setting the shutoff time of the shutter 14 and a timer for setting the open time of the shutter 14, and when the set shutoff time has elapsed, The shutter opening command signal may be output, and the shutter shutoff command signal may be output when a set opening time has elapsed.
一方チョッパー駆動回路21の制御に関しては、制御部
27Gを、チョッパー16の回転速度を予め設定した速
度に制御するチョッパー回転速度制御手段を備えた構成
とし、その回転速度を制御することによりチョッパー1
6による照射光の照射時間、遮断時間が定められる構成
とすれば良い。On the other hand, regarding the control of the chopper drive circuit 21, the control section 27G is configured to include chopper rotation speed control means for controlling the rotation speed of the chopper 16 to a preset speed, and by controlling the rotation speed of the chopper 16,
The configuration may be such that the irradiation time and cut-off time of the irradiation light are determined according to 6.
さらに電位印加部33による半導体電iiの基準電極3
1に対する電位の制御に関しては、例えば制御部27C
が、予め設定したプログラムに従いシャッター14の開
放指令信号もしくは遮断指令信号と同期して電位変更指
令信号を出力するように構成すれば良い。すなわち、シ
ャッター14の遮断時間もしくは開放時間が予めタイマ
ーに設定した時間経過した時点あるいは温度上昇値の微
分値があるli!I以下となった時点で電位変更指令信
号を出力させれば良い。あるいはチョッパー16の同期
信号発生器22からのチョッパー16の動作に同期した
信号を受入れて、チョッパー16による光路の遮断もし
くは開放に同期して電位変更指令信号を出力しても良い
。Further, the reference electrode 3 of the semiconductor electrode ii by the potential applying section 33
Regarding the control of the potential with respect to 1, for example, the control section 27C
However, the configuration may be such that the potential change command signal is output in synchronization with the opening command signal or the shutoff command signal of the shutter 14 according to a preset program. That is, when the shutoff time or opening time of the shutter 14 has elapsed for the time set in advance on the timer, or when the differential value of the temperature rise value is reached, li! It is sufficient to output a potential change command signal when the potential becomes less than I. Alternatively, a signal synchronized with the operation of the chopper 16 from the synchronization signal generator 22 of the chopper 16 may be accepted, and the potential change command signal may be output in synchronization with the interruption or opening of the optical path by the chopper 16.
第2図には、半導体電極用感熱素子5および参照用感熱
素子6の出力差を検出するための出力差検出回路40に
用いられる交流ブリッジ24の具体例を示す。第2図に
おいて、演算増幅器28は交流ブリッジの作動アンプと
して動作し、演算増幅器29は発振器25の発振周波数
例えば10k)1zの帯域フィルタとして動作する。FIG. 2 shows a specific example of the AC bridge 24 used in the output difference detection circuit 40 for detecting the output difference between the semiconductor electrode heat-sensitive element 5 and the reference heat-sensitive element 6. In FIG. 2, the operational amplifier 28 operates as a working amplifier of an AC bridge, and the operational amplifier 29 operates as a bandpass filter at the oscillation frequency of the oscillator 25, for example, 10k)1z.
次に上述のような装置により半導体電極の評価31− を行なう際の装置の全体的な動作を説明する。Next, the semiconductor electrode is evaluated using the above-mentioned device. The overall operation of the device when performing this will be explained.
予め測定すべき半導体電極1に感熱素子5を取付けると
ともにその半導体電極1、基準電極31および対極32
に電位印加部33を接続し1、試料室2内の電解液中に
それらの電極1.31.32を浸漬させる。波長選択器
例えば分光器17あるいはバンドパスフィルタによって
照射すべき光の波長を設定しておく。なお最初の測定時
においては開閉手段34を開放させて半導体電極1を開
回路としておくものとする。The heat-sensitive element 5 is attached to the semiconductor electrode 1 to be measured in advance, and the semiconductor electrode 1, the reference electrode 31 and the counter electrode 32 are
1, and the electrodes 1, 31, and 32 are immersed in the electrolytic solution in the sample chamber 2. The wavelength of the light to be irradiated is set by a wavelength selector such as the spectroscope 17 or a bandpass filter. In addition, at the time of the first measurement, the opening/closing means 34 is opened to keep the semiconductor electrode 1 in an open circuit.
そしてシャッター14もしくはチョッパー16により光
路を開放させれば、前記波長の光が半導体電極1に照射
され、その照射光のエネルギーのうち半導体電極1に吸
収されたエネルギーは開回路状態では全て熱となり、半
導体電極1の温度が上昇する。この半導体電極1の温度
は感熱素子5によって検出される。一方半導体電極1の
周囲の電解液の温度も上昇し、その周囲温度は感熱素子
6によって検出される。両者の温度差が出力差検出回路
23によって検出され、半導体電極1の温32一
度から周囲温度を差引いた温度、すなわち周囲温度に対
する補正を行なった半導体電極1のみの温度上昇値に相
当する信号が同期検出回路26から出力されて、その信
号がデータ処理・&IIII部27に送られる。Then, when the optical path is opened by the shutter 14 or the chopper 16, the semiconductor electrode 1 is irradiated with light of the above wavelength, and the energy absorbed by the semiconductor electrode 1 out of the energy of the irradiated light becomes heat in an open circuit state. The temperature of semiconductor electrode 1 increases. The temperature of this semiconductor electrode 1 is detected by a heat sensitive element 5. On the other hand, the temperature of the electrolyte around the semiconductor electrode 1 also rises, and the ambient temperature is detected by the heat sensitive element 6. The temperature difference between the two is detected by the output difference detection circuit 23, and a signal corresponding to the temperature obtained by subtracting the ambient temperature from the temperature 32 of the semiconductor electrode 1, that is, the temperature increase value of only the semiconductor electrode 1 corrected for the ambient temperature, is generated. The signal is output from the synchronization detection circuit 26 and sent to the data processing/&III section 27.
半導体電極1に対する照射時間がタイマーで予め設定し
たシャッター14の開放時間に達した時、あるいはチョ
ッパー16の回転速度で定まる光透過時間に達した時に
、半導体電極1への照射光の光路がシャッター14また
はチョッパー16の遮蔽部によって遮断される。この光
路遮断によって半導体電極1の温度は急速に下降するの
に対し周囲温度はとんど下降しないが、前述のように周
囲温度に対する補正を行なっているから、データ処理・
制御部27には周囲の電解液の温度の影響を除去した半
導体電極1自体の照射光による温度上昇値が与えられる
ことになる。When the irradiation time to the semiconductor electrode 1 reaches the opening time of the shutter 14 preset by the timer, or when the light transmission time determined by the rotation speed of the chopper 16 is reached, the optical path of the irradiation light to the semiconductor electrode 1 is changed to the shutter 14. Or it is blocked by the shielding part of the chopper 16. Although the temperature of the semiconductor electrode 1 rapidly decreases due to this optical path interruption, the ambient temperature hardly decreases. However, since the ambient temperature is corrected as described above, data processing and
The control unit 27 is given a temperature increase value due to the irradiation light of the semiconductor electrode 1 itself, which has removed the influence of the temperature of the surrounding electrolyte.
このようにして測定した半導体電極1の温度変化の時間
に対する波形を第3図に示す。第3図において破線Aは
周囲濃度に対する補正を行なりない場合の半導体電極1
の温度変化を示し、破線Bは周囲温度の変化を示し、直
線Cは周囲温度に対する補正を行なった半導体電極1の
温度変化すなわち同期検出回路26の出力波形を示す。FIG. 3 shows the waveform of the temperature change of the semiconductor electrode 1 measured in this way with respect to time. In FIG. 3, the broken line A indicates the semiconductor electrode 1 when no correction is made for the ambient concentration.
The broken line B shows the change in ambient temperature, and the straight line C shows the temperature change of the semiconductor electrode 1 corrected for the ambient temperature, that is, the output waveform of the synchronization detection circuit 26.
この同期検出回路26の出力波形Cおよび各照射期間中
の最大温度上昇値(第3図のΔTOO)が半導体電極1
の開回路状態における温度上昇値として記憶・演算部2
7Bにおいて記憶される。The output waveform C of this synchronization detection circuit 26 and the maximum temperature rise value (ΔTOO in FIG. 3) during each irradiation period are
The temperature rise value in the open circuit state is stored in the storage/calculation section 2.
7B.
一方前記開閉手段34を閉じた状態、すなわち半導体電
極1に電位印加部33を接続して電位を印加した状態に
おいて、前述の開回路状態での測定と同じ波長の光を照
射して半導体電極の温度上昇値6丁を測定すると同時に
半導体電極1の電流iを測定し、それらの測定値および
半導体電極1の基準電極に対する電位Vを記憶・演算部
27Bに記憶させる。この場合、予め設定したプログラ
ムに従って半導体電極1の基準電極31に対する電位V
を順次変化させ、各電位において半導体電極1の温度上
昇値Δ丁、、電流iを測定してそれらを各電位Vに対応
さゼて記憶させる。なお各電位における温度上昇値の測
定は、前述の場合と同様に周囲の電解液の温度に対する
補正を行なうものとする。このように電位印加部33を
接続した状態では、吸収したエネルギーの一部が電気エ
ネルギーや化学エネルギーとなり、残りのエネルギーが
熱となって半導体電極が温度上昇する。On the other hand, in a state in which the opening/closing means 34 is closed, that is, in a state in which the potential application unit 33 is connected to the semiconductor electrode 1 and a potential is applied, light having the same wavelength as that in the measurement in the open circuit state described above is irradiated to the semiconductor electrode. At the same time as measuring the six temperature rise values, the current i of the semiconductor electrode 1 is measured, and these measured values and the potential V of the semiconductor electrode 1 with respect to the reference electrode are stored in the storage/calculation section 27B. In this case, the potential V of the semiconductor electrode 1 with respect to the reference electrode 31 is determined according to a preset program.
are sequentially changed, and the temperature rise value .DELTA., current i of the semiconductor electrode 1 is measured at each potential, and these are stored in correspondence with each potential V. Note that the measurement of the temperature increase value at each potential is corrected for the temperature of the surrounding electrolytic solution, as in the case described above. With the potential applying section 33 connected in this manner, a portion of the absorbed energy becomes electrical energy or chemical energy, and the remaining energy becomes heat, causing the temperature of the semiconductor electrode to rise.
ここである電位での測定が終了して光路が遮断された後
、次の異なる電位での測定のための照射が開始されるタ
イミングは、シャッター14の場合は前述のようにタイ
マーの設定によってlll−されるか、あるいは温度上
昇値の微分値がある値以下となることによって制御され
、またチョッパー16が用いられている場合にはその回
転速度によって定められる。いずれにしても、光路遮断
後に再び照射が開始されるタイミングは、半導体電極1
の温度が充分に低下して周囲温度とほぼ同じとなった時
点となるように設定もしくは制御される。After the measurement at a certain potential is completed and the optical path is cut off, the timing at which irradiation for the next measurement at a different potential is started is determined by the timer settings as described above in the case of the shutter 14. - or by the differential value of the temperature increase being less than or equal to a certain value, and if the chopper 16 is used, it is determined by the rotation speed of the chopper 16. In any case, the timing at which irradiation is started again after the optical path is interrupted is the timing at which the semiconductor electrode 1
The temperature is set or controlled so that the temperature of the ambient temperature drops sufficiently to become almost the same as the ambient temperature.
もちろん場合によってはある電位での測定を2回以上繰
返しても良い。なお実際の測定においてはシャッター1
4とチョッパー16のいずれを用い35−
でも良いが通常は感熱素子の応答速度が遅い場合にはシ
ャッター14を用い、応答速度が充分に速い場合にはチ
ョッパー16を用いることができる。Of course, depending on the situation, measurement at a certain potential may be repeated two or more times. In the actual measurement, shutter 1
Either the shutter 14 or the chopper 16 may be used, but normally the shutter 14 is used when the response speed of the heat sensitive element is slow, and the chopper 16 is used when the response speed is sufficiently fast.
このようにして順次具なる電位での測定が行なわれて、
最終的に全測定電位領域での測定が終了1゛る。In this way, measurements are sequentially made at specific potentials,
Finally, the measurement in the entire measurement potential region is completed.
なお種々の異なる波長で上述のような測定を行なうこと
かできるが、その場合には半導体電極温度上昇値の測定
値は標準用カーボンブラック9の感熱素子10の測定値
によって規格化することが望ましい。すなわち光源8に
は波長特性が存在し、波長によって強度が相異するから
、絶対的な半導体電極1の特性評価を行なうためには、
光源8の波長特性の影響を除去することが望ましい。前
述の装置では、ハーフミラ−7を光、路中に挿入して照
射光をカーボンブラック9に導き、感熱素子10によっ
て全測定波長領域の各波長についてその温度上昇値を測
定する。この場合の具体的測定方法は半導体電I!ii
についての測定と同様である。Note that the above-mentioned measurements can be performed at various different wavelengths, but in that case, it is desirable to normalize the measured value of the semiconductor electrode temperature rise value by the measured value of the heat-sensitive element 10 of the standard carbon black 9. . That is, since the light source 8 has wavelength characteristics and the intensity differs depending on the wavelength, in order to perform an absolute evaluation of the characteristics of the semiconductor electrode 1,
It is desirable to eliminate the influence of the wavelength characteristics of the light source 8. In the above-mentioned apparatus, the half mirror 7 is inserted into the light path to guide the irradiated light to the carbon black 9, and the temperature increase value is measured for each wavelength in the entire measurement wavelength range by the heat sensitive element 10. The specific measurement method in this case is Semiconductor Electric I! ii
This is similar to the measurement for .
このようにして得られたカーボンブラック9の各36−
波長での温度上昇値によって前記半導体電極1の温度上
昇値を割算することによって半導体電極1の温度上昇値
が規格化される。なおり−ボンブラック9についての測
定は前述のようにハーフミラ−7を設けた場合には半導
体電極1についての測定と同時に行なうことができ、こ
のような同時測定の場合には半導体電極1の測定値をそ
の場で規格化することができるが、勿論カーボンブラッ
ク9の測定を半導体電極1の測定とは別に行ない、その
測定値を記憶させておいて半導体電極1の測定時にカー
ボンブラックの測定値を読み出して半導体電極1の測定
値を規格化しても良い。後者の場合にはハーフミラ−7
の代わりに通常のミラーを用いることができる。The temperature rise value of the semiconductor electrode 1 is normalized by dividing the temperature rise value of the semiconductor electrode 1 by the temperature rise value of the carbon black 9 obtained in this way at each 36-wavelength. The measurement of the Naori-bon black 9 can be performed simultaneously with the measurement of the semiconductor electrode 1 when the half mirror 7 is provided as described above, and in such a simultaneous measurement, the measurement of the semiconductor electrode 1 The value can be normalized on the spot, but of course, the measurement of carbon black 9 should be performed separately from the measurement of semiconductor electrode 1, and the measured value should be stored and used when measuring the semiconductor electrode 1. The measured value of the semiconductor electrode 1 may be normalized by reading out. In the latter case, half mirror 7
An ordinary mirror can be used instead.
次に前述のような各測定値を用いての半導体電極の量子
効率とエネルギー変換効率のめ方の原理を説明する。Next, the principle of calculating the quantum efficiency and energy conversion efficiency of a semiconductor electrode using each measurement value as described above will be explained.
半導体電極にある波長の光を照射すれば、その照射エネ
ルギーは波長に応じて定まった値、すなわちE <e
V/1)hoton)となっている。ここで半導体電極
にその波長の光を1秒間照射し、半導体電極に吸収され
た光の強度をT (photon/sea )とすれば
、半導体電極が得た総エネルギーは、Eft ・・・(
1)
で表わされる。If a semiconductor electrode is irradiated with light of a certain wavelength, the irradiation energy will be a value determined according to the wavelength, that is, E < e
V/1) hoton). Here, if the semiconductor electrode is irradiated with light of that wavelength for 1 second and the intensity of the light absorbed by the semiconductor electrode is T (photon/sea), the total energy obtained by the semiconductor electrode is Eft...
1) It is expressed as
開回路では半導体電極1に照射された光エネルギーは全
て熱となる(但し蛍光や燐光を生じないものとする)か
ら、開回路で生じた熱q0は次の式%式%
(2)
−5半導体電極1に標準!#A31に対して電位Vを印
加した状態で上述と同じ光を照射したときに生じる熱q
は、次の式で表わされる。In an open circuit, all of the light energy irradiated to the semiconductor electrode 1 becomes heat (provided that no fluorescence or phosphorescence is generated), so the heat q0 generated in an open circuit is calculated using the following formula: % Formula % (2) −5 Standard for semiconductor electrode 1! Heat q generated when #A31 is irradiated with the same light as above with potential V applied
is expressed by the following formula.
q=Qsc+TΔS+e77it −(3)ここでQs
oは無輻射失活や再結合で生じる熱、TΔSは電極反応
のエントロピー変化に伴なう熱(通常電気化学ペルチェ
熱と称される)、ev+1は分極による熱である。但し
ηは半導体電極の電位Vとグラフ]・バンド電位Vfb
との差、すなわちη−V−Vfb ・・・(4)
であり、またiは半導体電極1に流れた電流(電子数/
5ec)であり、eは電荷でディメンションを揃えるた
めのものである。なおQsc、T△51ey+itは全
てevで表わすものとする。q=Qsc+TΔS+e77it −(3) where Qs
o is the heat generated by non-radiative deactivation or recombination, TΔS is the heat associated with the entropy change of the electrode reaction (usually referred to as electrochemical Peltier heat), and ev+1 is the heat due to polarization. However, η is the potential V of the semiconductor electrode and the graph] Band potential Vfb
, i.e., η-V-Vfb (4), and i is the current flowing through the semiconductor electrode 1 (number of electrons/
5ec), and e is for aligning the dimensions by charge. Note that Qsc and TΔ51ey+it are all expressed in ev.
開回路における半導体電極の熱伝達係数および電位■を
印加した状態における半導体電極の熱伝達係数は等しい
から、次の式が成立する。Since the heat transfer coefficient of the semiconductor electrode in an open circuit and the heat transfer coefficient of the semiconductor electrode in a state where potential (2) is applied are equal, the following equation holds true.
△Tq
△Toe qo ・・・(5)
但しく5)式において、Δ丁は電位印加状態における半
導体電極の照射光による温度変化、ΔTocは開回路に
おける半導体電極の照射光による温度変化をあられす。△Tq △Toe qo ... (5) However, in equation 5, ΔTo is the temperature change due to the irradiation light of the semiconductor electrode in the state where a potential is applied, and ΔToc is the temperature change due to the irradiation light of the semiconductor electrode in an open circuit state. .
従って(2)、(3)、(4)(5)式から、次の式が
導かれる。Therefore, the following equation is derived from equations (2), (3), (4), and (5).
E・ΔT/ΔTOO−
・・・(6)
ここで半導体電極1の量子効率口qは、飽和充電流領域
では
nq=i/I ・・・(7)
39−
とおけるから、(6)から、
E・ΔT/ΔToc=
(Qsc+TΔS)、/It + enq(V−Vfb
)・・・(8)
となる。この(8)式が飽和充電流領域での半導体電極
の照射光による温度変化と電位との関係を示す式である
。E・ΔT/ΔTOO− (6) Here, the quantum efficiency q of the semiconductor electrode 1 can be set as nq=i/I (7) 39− in the saturated charge current region, so from (6) , E・ΔT/ΔToc=(Qsc+TΔS),/It+enq(V−Vfb
)...(8) becomes. This equation (8) shows the relationship between the temperature change due to the irradiation light of the semiconductor electrode and the potential in the saturated charge current region.
(8)式において右辺の第1項は電位によらない値、第
2項は分極による熱の項であり、E−ΔT/ΔTOCと
V −V fbは傾きnq(これは量子効率である)の
直線関係を示す。従って第4図のグラフAで示すように
、横軸にV −V fbを、縦軸に E・ΔT/ΔTO
Cをプロットして(8)式をグラフ化すれば、その傾き
が114に相当し、その傾きをめることによって量子効
率がめられる。In equation (8), the first term on the right side is a value that is independent of potential, the second term is a term for heat due to polarization, and E - ΔT / ΔTOC and V - V fb are slopes nq (this is quantum efficiency) shows a linear relationship. Therefore, as shown in graph A in Figure 4, the horizontal axis shows V -V fb, and the vertical axis shows E・ΔT/ΔTO.
If C is plotted and equation (8) is graphed, the slope corresponds to 114, and the quantum efficiency can be determined by calculating the slope.
一方(8)式から、V = V fl)の点、すなわち
E・ΔT/ΔToe−V−Vfbの直線プロットを外挿
した切片は(Qsc+TΔS)/Ttに相当する。On the other hand, from equation (8), the point of V = V fl), that is, the intercept obtained by extrapolating the linear plot of E·ΔT/ΔToe−V−Vfb corresponds to (Qsc+TΔS)/Tt.
ここで光の強度■、照射時間【は既知であり、また電極
反応のエントロピー変化に伴う熱TΔS40−
は別にめることができるが、一般にはほとんど無視でき
る。したがって、これらによって(Q sc+TΔS)
/Itの値を補正演締することにより、Qscをめるこ
とができる。Here, the light intensity (1) and the irradiation time (2) are known, and the heat TΔS40- associated with the entropy change of the electrode reaction can be considered separately, but is generally negligible. Therefore, by these (Q sc + TΔS)
Qsc can be adjusted by correcting the value of /It.
光電極反応におけるエネルギー変換効率は、半導体電極
が得た総エネルギーqに対して、電位Vで生じた前記(
3)式による熱qのうち分極にょる熱eη1tと電極反
応熱TΔSとを除いた無輻射失活や再結合で生じた熱Q
scのエネルギーが占める割合を意味するから、エネル
ギー変換効率npは次で表わされる。The energy conversion efficiency in the photoelectrode reaction is determined by the amount of energy ((
3) The heat Q generated by non-radiative deactivation and recombination excluding the heat eη1t due to polarization and the electrode reaction heat TΔS from the heat q according to the formula
Since it means the proportion occupied by the energy of sc, the energy conversion efficiency np is expressed as follows.
np(%) −(E It −QSC) /E It
X 100・・・(9)
したがって(9)式に前述のようにして得られたQsc
を代入すれば、E、I、tは既知であるから、エネルギ
ー変換効率npをめることができる。np(%) −(E It −QSC) /E It
X 100...(9) Therefore, in equation (9), Qsc obtained as described above
By substituting , since E, I, and t are known, the energy conversion efficiency np can be calculated.
以上のような原理に従って実際に半導体電極のの量子効
率およびエネルギー変換効率をめる具体的フローを第5
図に示す。The fifth section describes a specific flow for actually determining the quantum efficiency and energy conversion efficiency of semiconductor electrodes according to the principles described above.
As shown in the figure.
第5図において、半導体電極に照射する光の波長が照射
手段により選択されれば、照射エネルギー E (ev
/photon)が決定される。この波長に応じたエネ
ルギーEの値は予め記憶演輝部27Aその他の適宜のメ
モリーに記憶させておき、波長の選択によって自動的に
波長に応じたEの値が読み出される。そして開回路の状
態で半導体電極に前記波長の光を照射したときの半導体
電極の温度上昇値ΔTOCを測定してその値を記憶させ
る。また電位を印加した状態で半導体電極に同じ波長の
光を照射したときの半導体電極の温度上昇値6丁を、電
位■を順次変化させて測定し、併せて各電位Vにおいて
半導体電極に流れた電流iを測定し、各電位■における
ΔT、Iを電位■の値とともに記憶させる。なおここで
温度上昇値ΔT1ΔToeとしては、前述のように周囲
温度に対する補正を行った後の半導体電極自体の温度上
昇値を記憶させることが望ましいことは勿論である。In FIG. 5, if the wavelength of the light irradiated to the semiconductor electrode is selected by the irradiation means, the irradiation energy E (ev
/photon) is determined. The value of energy E corresponding to this wavelength is stored in advance in the storage/enhancing unit 27A or other appropriate memory, and the value of E corresponding to the wavelength is automatically read out by selecting the wavelength. Then, the temperature rise value ΔTOC of the semiconductor electrode when the semiconductor electrode is irradiated with light of the wavelength in an open circuit state is measured and the value is stored. In addition, we measured the temperature rise of six semiconductor electrodes when the semiconductor electrode was irradiated with light of the same wavelength while applying a potential, while changing the potential ■ sequentially. The current i is measured, and ΔT and I at each potential (2) are stored together with the value of the potential (2). It goes without saying that it is desirable to store the temperature rise value of the semiconductor electrode itself as the temperature rise value ΔT1ΔToe after correction for the ambient temperature as described above.
続いて電位印加状態での温度上昇値ΔTを、開回路状態
での温度上昇値ΔToeで割算してΔT/ΔTocをめ
、これに照射光のエネルギーEを乗じてE・ΔT/ΔT
ocをめる。なおこの演算は各電位Vの値ごとにそれに
対応して行うことは勿論である。一方、各電位■から半
導体電極の種類によって定まるフラットバンド電位Vf
bを差し引いて、Vfbの値を算出しておく。Next, divide the temperature rise value ΔT in the potential applied state by the temperature rise value ΔToe in the open circuit state to obtain ΔT/ΔToc, and multiply this by the energy E of the irradiation light to obtain E・ΔT/ΔT.
Turn on oc. It goes without saying that this calculation is performed for each potential V value. On the other hand, from each potential ■, a flat band potential Vf determined depending on the type of semiconductor electrode
The value of Vfb is calculated by subtracting b.
そして縦軸yをE・ΔT/ΔTocとし、横軸Xをv
−v rbトt、−c、V−Vfb−E ・ΔT/ΔT
ocを関数化し、グラフAをめ、そのグラフAの各点(
すなわち各電位に対応する各測定点)を記憶させ、記憶
した各点に対して最小自乗法により直線近似を行なう。Then, the vertical axis y is E・ΔT/ΔToc, and the horizontal axis
-v rbt, -c, V-Vfb-E ・ΔT/ΔT
Convert oc into a function, draw a graph A, and calculate each point of the graph A (
That is, each measurement point corresponding to each potential is stored, and a linear approximation is performed to each stored point by the method of least squares.
なおここでグラフAの直線近似は、充電流飽和領域の範
囲内の測定点に対して行なう。すなわち、各電位■にお
いて流れた電流iを記憶させておいて、v −v rb
に対し1をプロットして第4図のグラフBを作成し、グ
ラフBにおけるIの飽和領域についてグラフAの直線近
似を行なう。そして得られた直線y=ax十すの傾きa
をめる。この傾きaが前記(8)式から明らかなように
量子効率nqに相当するから、この値を量子効率として
記録表示させる。Note that the linear approximation of graph A is performed for measurement points within the charge flow saturation region. That is, by storing the current i flowing at each potential ■, v −v rb
Graph B in FIG. 4 is created by plotting 1 against 1, and a linear approximation of graph A is performed for the saturated region of I in graph B. And the slope of the obtained straight line y=ax
I put it on. Since this slope a corresponds to the quantum efficiency nq as is clear from the equation (8), this value is recorded and displayed as the quantum efficiency.
43−
−5エネルギー効率については、前述のようにして得ら
れたグラフAの近似直線における外挿切片の値、すなわ
ちV −V fb= OにおけるE・ΔT/Δl”oc
の値を演算によってめ、これにItを乗じて電極反応熱
TΔSを差引き、Qscを算出する。そして前記(9)
式に従って演算することによってエネルギー変換効率n
pがめられ、その値が記録表示される。43--5 Regarding energy efficiency, the value of the extrapolated intercept on the approximate straight line of graph A obtained as described above, that is, E・ΔT/Δl”oc at V −V fb=O
Calculate the value of , multiply it by It, subtract electrode reaction heat TΔS, and calculate Qsc. And the above (9)
By calculating according to the formula, the energy conversion efficiency n
p is determined and its value is recorded and displayed.
なおここで電極反応熱T△Sは、前述のように別にめる
こともできるが、一般にほとんどの物質では無視できる
値である。したがって一般にはTΔSは零とおいてQs
cの補正演算を行なうことができる。Although the electrode reaction heat TΔS can be measured separately as described above, it is generally a value that can be ignored for most substances. Therefore, in general, TΔS is set to zero and Qs
c correction calculation can be performed.
以下に本発明者等が実際に半導体電極について測定を行
った結果を記す。Below, the results of actual measurements made by the present inventors on semiconductor electrodes will be described.
第6図は、半導体電極としてCdS単結晶を用い、対極
として白金電極、基準電極として飽和力0 )(ルミ極
を用いて、0.1モルのに4Fe (ON)60.01
−EルのKa Fe (CN)aおよび支持電解質とし
て0.2モルのNa 2804を含有した電解44−
液中での各電位における光照射による光電流とCds単
結晶電極の温度変化を示す。ここで照射光波長は340
nlとし、1回の照射時間は20秒とした。なお第6図
中ONは照射開始を示し、OFFは光遮断を示す。また
第6図の温度は、周囲の温度による補正を行った後のも
のである。In Figure 6, a CdS single crystal is used as a semiconductor electrode, a platinum electrode is used as a counter electrode, and a saturation force (0) (lumi electrode) is used as a reference electrode.
The photocurrent and temperature change of a Cds single crystal electrode due to light irradiation at various potentials in an electrolytic solution containing 0.2 mol of Na2804 as a supporting electrolyte and KaFe(CN)a as a supporting electrolyte are shown. Here, the wavelength of the irradiated light is 340
nl, and the time for one irradiation was 20 seconds. Note that in FIG. 6, ON indicates the start of irradiation, and OFF indicates light interruption. Moreover, the temperature in FIG. 6 is after correction based on the ambient temperature.
第6図に示すように、開回路での温度変化と比較して電
位Vが−0,75VO目では温度変化の減少が見られた
が、電位を+1,0VOIt 、 + 3,0Valt
と上昇させるに従ってアノード分極が進行して濃度上昇
が大きくなることが明らかである。As shown in Fig. 6, a decrease in temperature change was observed when the potential V was −0.75 VO compared to the temperature change in an open circuit, but when the potential was changed to +1.0 VO It and + 3.0 V
It is clear that as the concentration increases, the anode polarization progresses and the concentration increase increases.
第7図には、上述のようにして得られた各電位での温度
上昇値△Tと光電流1を電極電位Vに対してプロットし
たものである。第7図に示すように、光電流が流れ始め
るのに対応して温度上昇値ΔTの減少がみられた。これ
は光励起によって生じた電子・正孔の再結合と分離が競
合的に起っていることを意味する。光電Wt1が飽和し
た領域では温度上昇値ΔTの直線的な増加が観測された
。In FIG. 7, the temperature rise value ΔT and photocurrent 1 at each potential obtained as described above are plotted against the electrode potential V. As shown in FIG. 7, a decrease in the temperature rise value ΔT was observed as the photocurrent began to flow. This means that recombination and separation of electrons and holes generated by photoexcitation occur competitively. In the region where photoelectricity Wt1 was saturated, a linear increase in temperature increase value ΔT was observed.
なお同回路における温度上昇値を破線で示す。The temperature rise value in the same circuit is shown by a broken line.
さらに第8図には、第6図、第7図の測定とは別[cd
S単結晶からなる半導体電極について、!元剤sO3を
含有するNa2SO3系の電解液中で電位を変えて温度
上昇値Δ丁および光電流1を測定してE・ΔT/ΔTo
cおよび1をv−vrニ対しブロン1へした結果を示す
。なお照射光波長ハ340nIIlであり、したがって
Eは3.(i eVとした。Furthermore, in Fig. 8, there is a [cd
About semiconductor electrodes made of S single crystal! The temperature rise value ΔT and the photocurrent 1 were measured by changing the potential in a Na2SO3-based electrolytic solution containing the base material sO3, and E・ΔT/ΔTo
The results of changing c and 1 to v-vr and bron 1 are shown. Note that the wavelength of the irradiated light is 340nIIl, so E is 3. (i eV.
第8図のE・ΔT/△Toe〜v−vrプロットの充電
流飽和領域における傾きは1.00であり、したがって
この場合の光電極反応の量子効率nqは1.00と見積
もられた。The slope of the E·ΔT/ΔToe~v−vr plot in FIG. 8 in the charge flow saturation region is 1.00, and therefore the quantum efficiency nq of the photoelectrode reaction in this case was estimated to be 1.00.
第9図には、第8図と同様な測定条件下において照射時
間を5〜60秒の範囲で変えた場合のE・ΔT/ΔTO
C〜v −v rb直線プロットの傾きを表わす。照射
時間を変えても傾きは変化せず、したがって照射時間の
長さは量子効率の決定に影響を及ぼさないことが明らか
である。Figure 9 shows E・ΔT/ΔTO when the irradiation time was varied in the range of 5 to 60 seconds under the same measurement conditions as in Figure 8.
C~v -v rb Represents the slope of a straight line plot. It is clear that changing the irradiation time does not change the slope, so the length of the irradiation time has no effect on determining the quantum efficiency.
第10図には、ZnO多結晶電極を半導体N極として用
いて、光強度Iを変化させて前記同様なE・ΔT /
T 00〜V −V fb直線プロットの傾きを調べた
結果を示す。この結果から、光強度を変えても傾きは変
わらず、したがって光強度の強さも量子効率の決定に影
響を及ぼさないことが明らかである。In FIG. 10, the same E・ΔT/
The results of examining the slope of the T 00 to V − V fb linear plot are shown. From this result, it is clear that the slope does not change even if the light intensity is changed, and therefore the intensity of the light intensity does not affect the determination of quantum efficiency.
さらに第11図には、第8図の場合と同様に還元剤とし
てのSO3存在下のCdS単結晶半導体電極1.: ラ
イT、照射光波長を490ni、400 nm。Further, FIG. 11 shows a CdS single crystal semiconductor electrode 1 in the presence of SO3 as a reducing agent as in the case of FIG. : Lai T, irradiation light wavelength 490ni, 400 nm.
340n−と変化させた場合のそれぞれの波長でのE・
ΔT/△Toc−v−vrbプロットを示す。波長が短
波長になるに従ってeVで表わしたE・ΔT/△Toc
の値は小さくなっているが、直線の傾きはいずれも1.
00であり、したがって量子効率はいずれの波長でも
1.00と一定であることが明らかである。E・ at each wavelength when changed to 340n-
ΔT/ΔToc-v-vrb plot is shown. E・ΔT/ΔToc expressed in eV as the wavelength becomes shorter
Although the value of is small, the slope of the straight line is 1.
00, so the quantum efficiency is
It is clear that it is constant at 1.00.
第1表には、各種の半導体電極についてこの発明の方法
によってめた量子効率nqを示す。また比較のため、化
学光量計によって測定した入射光子数と、そのときに得
られた光電流値から計算した量子効率nq−とを第1表
に併せて示す。Table 1 shows the quantum efficiency nq determined by the method of the present invention for various semiconductor electrodes. For comparison, Table 1 also shows the number of incident photons measured by a chemical photometer and the quantum efficiency nq- calculated from the photocurrent value obtained at that time.
47−
第1表から明らかなようにCd 51Cd Se 1T
i 02およびZnOについては両方法によってめたm
子効率nq、、nq′がほぼ一致している。しかしなが
らMO82、Ga As 、Ga Pなどにおいては、
化学光―計によって得られた値nq′はこの発明の方法
により得られた1inqよりもかなり小さい値となって
いる。この差は、電極表面での反射・散乱に起因するも
ので考えられる。そこで本発明者等はnqとnq′との
差の大きい半導体電極について、入射角45°で表面の
反射率Rをめ、この反射率から電極に吸収された光量を
めて、化学先口針により得られた量子効率nq−を補正
した。その補正された量子効率nq”を第2表に示す。47- As is clear from Table 1, Cd 51Cd Se 1T
For i 02 and ZnO, m was determined by both methods.
The child efficiencies nq, , nq' are almost the same. However, in MO82, Ga As, Ga P, etc.
The value nq' obtained by the actinometer is much smaller than 1 inq obtained by the method of the present invention. This difference is thought to be due to reflection and scattering on the electrode surface. Therefore, the present inventors determined the surface reflectance R at an incident angle of 45° for a semiconductor electrode with a large difference between nq and nq', calculated the amount of light absorbed by the electrode from this reflectance, and calculated the chemical tip. The quantum efficiency nq- obtained by was corrected. The corrected quantum efficiency nq'' is shown in Table 2.
第2表から明らかなように、化学光量計によって得られ
た値を補正した量子効率n q Iは、この発明の方法
により得られた量子効率nqの値にかなり近付いている
。As is clear from Table 2, the quantum efficiency n q I corrected for the value obtained by the chemiphotometer is quite close to the value of the quantum efficiency n q obtained by the method of the invention.
第12図は、Fe (ON)aを含む電解液中における
CdS単結晶半導体電極の光電極反応時のE・ΔT/△
TOC〜V −V fbをプロットしたちの48−
である。なここで照射光波長は490 nmである。Figure 12 shows E・ΔT/△ during the photoelectrode reaction of a CdS single crystal semiconductor electrode in an electrolytic solution containing Fe(ON)a.
This is 48- by plotting TOC~V-V fb. Here, the wavelength of the irradiated light is 490 nm.
この場合の光電極反応は、
Fe (CN)e +P−+Fe (CN)eであり、
したがって電極反応熱TΔSは吸熱反応となる。このと
き観測される飽和光電流値に等しい酸化電流でもって、
Fe (CN)aを含む電解液においてAL+電極によ
る定電流電解を行ない、生じるAU/電解液界面での温
度変化をサーミスタで検出した。そしてこの温度変化と
、CdS電極の開回路にて観測される表面の温度変化(
2,5eVに相当する)のそれぞれの大きさを比較する
ことにより、電極反応熱をOvで表わすことができるも
のとして、この場合のFe (CN)e→Fe (CN
)a +eの電極反応熱バー 0.4 eVニ相当する
ことが判明した。したがって第12図におけるE・ΔT
/ΔTOC〜v −v rbの直線プロットを上方へ0
.4θVだけずらしたものがTΔS/l【を補正したE
−△T / △T oc −V −V fb(D rl
A係を表わしていることになると考えられ、この補正し
た直線プロットにおけるv −v rbの外挿点の値、
すなわちQsc/ltの値は1.4eVとなった。The photoelectrode reaction in this case is Fe (CN)e +P-+Fe (CN)e,
Therefore, the electrode reaction heat TΔS becomes an endothermic reaction. With an oxidation current equal to the saturation photocurrent value observed at this time,
Constant current electrolysis was performed using an AL+ electrode in an electrolytic solution containing Fe (CN)a, and the resulting temperature change at the AU/electrolyte interface was detected with a thermistor. This temperature change and the surface temperature change observed in the open circuit of the CdS electrode (
Assuming that the electrode reaction heat can be expressed in Ov by comparing the respective magnitudes of 2 and 5 eV), in this case Fe (CN)e → Fe (CN
) It was found that the electrode reaction heat bar of a + e corresponds to 0.4 eV. Therefore, E・ΔT in Figure 12
/ΔTOC~v −v rb straight line plot upwards 0
.. The one shifted by 4θV is the corrected E of TΔS/l
−△T / △T oc −V −V fb(D rl
It is considered that it represents the A coefficient, and the value of the extrapolation point of v − v rb in this corrected straight line plot,
That is, the value of Qsc/lt was 1.4 eV.
コノ結果から、エネルギー変換効率npは44%である
ことが判明した。From the results, it was found that the energy conversion efficiency np was 44%.
サラに第13図には、ZnO多結晶電極に3400の単
色光を照射した場合における、各種還元剤存在下でのE
・ΔT/△T00−Vの関係を示す。Figure 13 shows the E in the presence of various reducing agents when a ZnO polycrystalline electrode is irradiated with monochromatic light of 3400 nm.
- Shows the relationship of ΔT/ΔT00-V.
還元剤の種類によって温度上昇値は異なっており、また
E・△T/△Toe−Vの直線プロットの傾き、すなわ
ち量子効率はS を除いていずれも0.90であった。The temperature increase value differed depending on the type of reducing agent, and the slope of the linear plot of E·ΔT/ΔToe−V, that is, the quantum efficiency, was 0.90 in all cases except for S.
そして第12図のデータから、各還元剤を用いた場合の
Qscの値をめ、照射光波長が340nmでEが3.6
eVテあるとコロカラ((3,6−Qsc) / 3.
6) x 100 (%)によってそれぞれの還元剤を
用いた場合のエネルギー変換効率Opをめ、第3表に示
した。Then, from the data in Figure 12, we calculated the Qsc value when each reducing agent was used, and when the irradiation light wavelength was 340 nm, E was 3.6.
If there is an eV, then Korokara ((3,6-Qsc) / 3.
6) The energy conversion efficiency Op when using each reducing agent is calculated by x 100 (%) and is shown in Table 3.
一方、半導体のフラットバンド電位がE fb、還元剤
の還元電位がErの場合、得られ得る最大の開路光起電
力VIlla×は、バンドの曲がりに等しく、Vmax
= l Efb−Er l
で与えられるから、得られ得る最大のエネルギー効率c
、t (l Efb−E+’ l / 3.6) X
100 (%)となる。この値を各還元剤について針棒
して、「1p′として第3表に併せて示した。On the other hand, if the flat band potential of the semiconductor is E fb and the reduction potential of the reducing agent is Er, the maximum obtainable open-circuit photovoltaic force VIlla× is equal to the bending of the band, and Vmax
Since it is given by = l Efb-Er l, the maximum energy efficiency that can be obtained c
, t (l Efb-E+' l / 3.6) X
It becomes 100 (%). This value was calculated using a needle bar for each reducing agent and is also shown in Table 3 as "1p'.
第3表から、上述の計棹により得られた最大エネルギー
効率lip”と、この発明の方法により縛られたエネル
ギー変換効率ripとが近い値を示していることが明ら
かである。It is clear from Table 3 that the maximum energy efficiency "lip" obtained by the above-mentioned method and the energy conversion efficiency rip determined by the method of the present invention are close to each other.
nq−:化学光置割による」子効率
3:l結晶
51−
53−
52−
発明の効果
この発明の半導体電極評価方法および装置によれば、照
射光の定量的値すなわち強さや特性の相違などに無関係
に光電気化学装置に使用される半導体電極の量子効率お
よび/またはエネルギー変換効率を正確にめることがで
き、したがって半導体N極の客観的評価を行なうことが
でき、しかも装置的にも比較的簡単かつ低コスト化され
るなどの効果を奏し得る。nq-: Child efficiency 3:l crystal due to chemical light placement 51- 53- 52- Effects of the Invention According to the semiconductor electrode evaluation method and device of the present invention, quantitative values of irradiated light, such as differences in intensity and characteristics, etc. It is possible to accurately determine the quantum efficiency and/or energy conversion efficiency of a semiconductor electrode used in a photoelectrochemical device regardless of the It can produce effects such as being relatively simple and cost-reduced.
第1図はこの発明の半導体電極評価装置の一例を示す略
解図、第2図は第1図の装置に使用される出力差検出回
路としての交流ブリッジの一例を示す結線図、第3図は
半導体電極の検出温度の変化を示す波形図、第4図はこ
の発明の方法におけるE−ΔT/△T oC−V −V
rh7 ロットオJ: ヒI〜v −v rbプロッ
トを示すグラフ、第5図はこの発明の方法により半導体
1!IIIのエネルギー変換効率npおよび量子効率n
qをめる具体的フローを示すフローチャート、第6図は
CdS単結晶半導体電極についての印加電極を変えた場
合の光電流1および電極温度の経時変化を示す図、第7
図は同じ<CdS単結晶電極についての温度上昇値ΔT
および光電流iと電位Vとの関係を示す図、第8図は同
じ<CdS単結晶電極についてのE・ΔT/ΔTOC〜
V−vfbプOッl−オJ:ヒi −V−Vfbプロッ
1〜を示す図、第9図はCdS単結晶電極について照射
時間を変えた場合のE・ΔT/ΔTOC〜V−Vfb直
線プロットの傾きと照射時間との関係を示す図、第10
図はZnO多結晶電極について光強度を変えた場合の前
記同様な直線プロットの傾きと光強度との関係を示す図
、第11図はCdS単結晶電極について照射光波長を変
えた場合のそれぞれの波長におけるE・ΔT/ΔTOC
〜V−vfbプロットを示す図、第12図はエネルギー
変換効率をめるにあたってのCdS単結晶電極のE・Δ
T/ΔTOO−V−Vfbプロットを示す図、第13図
はZnO多結晶半導体について電解液中の還元剤を変え
た場合のそれぞれの還元剤におけるE・ΔT/ΔT0c
〜Vプロットを示す図である。
1・・・半導体電極、 2・・・試料室、 5・・・半
導体電極用の感熱素子、 6・・・参照用の感熱素子、
8・・・光源、 9・・・カーボンブラック、10・
・・標準用感熱素子、 13・・・第1の照射光断続手
段、 14・・・シャッター(光遮断器)、 15・・
・第2の照射光断続手段、 16・・・チョッパー(光
断続器)、17・・・波長選択器としての分光器、 1
7A・・・分散素子、 24・・・交流ブリッジ、 2
6・・・周期検出回路、 27・・・データ処理・制御
部、 27△・・・記憶演算部、 31・・・基準電極
、 32・・・対極、33・・・電位印加部、 34・
・・開閉手段、 40・・・出力差検出回路。
出願人 HIa 昭
本 多 健 −
日本分光工業株式会社
代理人 弁理士 豊 1)武 久
(ばか1名)FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a semiconductor electrode evaluation device of the present invention, FIG. 2 is a wiring diagram showing an example of an AC bridge as an output difference detection circuit used in the device of FIG. 1, and FIG. A waveform diagram showing changes in the detected temperature of the semiconductor electrode, FIG. 4 is E-ΔT/ΔT oC-V -V in the method of this invention.
rh7 Lotto J: A graph showing the hI~v-vrb plot, FIG. 5 shows the semiconductor 1! Energy conversion efficiency np and quantum efficiency n of III
A flowchart showing a specific flow for calculating q, FIG. 6 is a diagram showing changes over time in photocurrent 1 and electrode temperature when changing the applied electrode for a CdS single crystal semiconductor electrode, and FIG.
The figure shows the same <Temperature rise value ΔT for CdS single crystal electrode
and a diagram showing the relationship between photocurrent i and potential V, Figure 8 is the same <E・ΔT/ΔTOC for CdS single crystal electrode ~
Figure 9 shows the E・ΔT/ΔTOC~V-Vfb straight line when changing the irradiation time for a CdS single crystal electrode. Diagram showing the relationship between plot slope and irradiation time, No. 10
The figure shows the relationship between the slope of the same linear plot and the light intensity when the light intensity is changed for a ZnO polycrystalline electrode, and Figure 11 shows the relationship between the slope of the linear plot and the light intensity when the light intensity is changed for a CdS single crystal electrode. E・ΔT/ΔTOC at wavelength
〜V-vfb plot, Figure 12 shows the E・Δ of the CdS single crystal electrode when determining the energy conversion efficiency.
A diagram showing the T/ΔTOO-V-Vfb plot, Figure 13 shows E・ΔT/ΔT0c for each reducing agent when the reducing agent in the electrolyte is changed for ZnO polycrystalline semiconductor.
-V plot. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Semiconductor electrode, 2... Sample chamber, 5... Heat sensitive element for semiconductor electrode, 6... Heat sensitive element for reference,
8...Light source, 9...Carbon black, 10.
... Standard thermal element, 13... First irradiation light intermittent means, 14... Shutter (light interrupter), 15...
- Second irradiation light intermittent means, 16... chopper (light interrupter), 17... spectrometer as a wavelength selector, 1
7A... Dispersion element, 24... AC bridge, 2
6... Period detection circuit, 27... Data processing/control unit, 27Δ... Memory calculation unit, 31... Reference electrode, 32... Counter electrode, 33... Potential application unit, 34.
...Opening/closing means, 40...Output difference detection circuit. Applicant HIa Ken Akimoto - JASCO Corporation Representative Patent Attorney Yutaka 1) Hisashi Take (one idiot)
Claims (1)
容し、かつその電解液中に評価すべき半導体電極ととも
に基準電極および対極を浸漬し、その半導体電極に、基
準電極に対する電位を予め設定したプログラムに従って
変化させて電圧を印加する状態および半導体電極を開回
路とした状態のそれぞれにおいて、選択された波長の光
を前記半導体電極に予め定められたように断続して照射
してその照射光による半導体電極の温度上昇を直梯検出
し、電圧印加状態における照射光による半導体電極の温
度上昇値および開回路状態における照射光による半導体
電極の温度上昇値と、電圧印加状態における半導体電極
の基準電極に対する電位とを用いて半導体電極の量子効
率および、/またはエネルギー変換効率をめることを特
徴とする半導体光電気化学電極の評価方法。 (2)電圧印加状態において印加電位を変えて検出した
半導体電極の照射光による温度上昇値を開回路状態にお
ける半導体電極の照射光による温度上昇値で規格化し、
かつその規格化された各温度上昇値に照射光の波長で定
まるエネルギーを乗じた値を縦軸に、半導体電極に印加
した電位がらフラットバンド電位を差引いた電位を横軸
にとってグラフを作成し、そのグラフ上における光電流
飽和領域内の各点を直線で近似し、その直線の傾きによ
り半導体電極の量子効率をめることを特徴とする特許請
求の範囲第1項記載の半導体光電気化学電極の評価方法
。 (3)前記グラフ上における光電流飽和領域内における
各点を、最小自乗法により直線近似してその傾きをめる
特許請求の範囲第2項記載の半導体光電気化学電極の評
価方法。 (4)電圧印加状態において印加電位を変えて検出した
半導体電極の照射光による温度上昇値を開回路状態にお
ける半導体電極の照射光による温度上昇値で規格化し、
かつその規格化された各温度上昇値に照射光の波長で定
まるエネルギーを乗じた値を縦軸に、半導体電極に印加
した電位からフラットバンド電位を差引いた電位を横軸
にとってグラフを作成し、そのグラフ上における充電流
飽和領域内の各点を直線で近似し、その近似直線を外挿
した値に対して電極反応熱を補正演算して、無輻射失活
や再結合により生じる熱をめ、その値を、照射光の波長
、照射時間、照射光強度で定まる半導体電極への入射光
総エネルギーから差引いて、その差引いた値を前記総エ
ネルギーで割算して半導体電極のエネルギー変換効率を
めることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導
体光電気化学電極の評価方法。 (5)周囲から熱的に分離された、電解液を収容する試
料室と、 評価すべき半導体電極とともに前記試料室内の電解液中
に浸漬される基準電極および対極と、前記半導体電極と
対極との間に、基準電極に対する半導体電極の電位が予
め設定したプログラムに従って変化するように電圧を印
加する手段と、前記試料室内の電解液中に浸漬された半
導体電極に対して選択された波長の光を照射する照射手
段と、 照射光による半導体電極の温度上昇を直接検出する温度
検出手段と、 前記温度検出手段からの検出信号および半導体電極の標
準電極に対する電位を記憶・演算する記憶演算手段とを
有してなり、 前記記憶演算手段は、前記半導体電極を開回路とした状
態において前記温度検出手段により検出された半導体電
極の照射光による温度上昇値と、電圧印加状態において
半導体電極の基準電極に対する電位に対応して前記温度
検出手段により検出された半導体電極の照射光による温
度上昇値および半導体電極の電位を記憶・演算して半導
体電極の量子効率および/またはエネルギー変換効率を
めるようにされていることを特徴とする半導体光化学電
極評価装置。 (6)前記記憶演算手段は、電圧印加状態におい3− て印加電位を変えて前記温度検出手段により検出された
半導体電極の照射光による温度上昇値と、開回路状態に
おいて温度検出手段により検出された半導体電極の照射
光による温度上昇値とを記憶して、その記憶された電圧
印加状態における各温度上昇値を記憶された開回路状態
における温度上昇値で規格化し、かつその規格化された
各温度上昇値に照射光の波長で定まるエネルギーを乗じ
た値を、半導体電極に印加した電位からフラットバンド
電位を差引いた電位に対する関数として記憶し、その関
数における充電流飽和領域内の多値を直線で近似し、そ
の直線の傾きを演算によりめて半導体電極のm子効率と
してデータ出力するようになされている特許請求の範囲
第5項記載の半導体光電気化学電極の評価装置。 (7)前記記憶演算手段は、電圧印加状態において印加
電位を変えて前記温度検出手段により検出された半導体
電極の照射光による温度上昇値と、開回路状態において
濃度検出手段により検出された半導体電極の照射光によ
る温度上昇値とを記憶4− して、その記憶された電圧印加状態における各温度上昇
値を記憶された開回路状態における温度上昇値で規格化
し、かつその規格化された各温度上昇値に照射光の波長
で定まるエネルギーを乗じた値を、半導体電極に印加し
た電位からフラットバンド電位を差引いた電位に対する
関数として記憶し、その関数における充電流飽和領域内
の多値を直線で近似し、その近似直線を外挿した値に対
して電極反応熱を補正演算して、無輻射失活ヤ再結合に
より生じる熱をめ、その値を照射光の波長、照射時間、
照射光強度で定まる入射光総エネルギーから差引いて、
その差引いた値を前記総エネルギーで割算して半導体電
極のエネルギー変換効率としてデータ出力するようにさ
れている特許請求の範囲第5項記載の半導体光電気化学
電極評価装置。 (8)前記照射光手段が、光源と、その光源がらの光か
ら半導体電極に照射すべき波長の光を選択するための波
長選択器と、半導体電極に対する照射光を断続するため
の照射光断続手段とを備えた構成とされている特許請求
の範囲第5項記載の半導体光電気化学電極評価装置。 (9)前記波長選択器が、光源からの光を分光する分散
素子を有する分光器、もしくはそれぞれ異なる波長帯域
を有する複数個のバンドパスフィルタで構成されている
特許請求の範囲第8項記載の半導体光電気化学電極評価
装置。 (10)前記照射光断続手段が、光遮断器と、その光′
S断器を半導体電極に対する照射光の光路に挿入および
離脱させるための駆動手段と、その駆動手段を制御する
制御部とから構成され、その光遮断器は、その開放のタ
イミングが前記温度検出手段の出力信号を処理判定した
結果により制御されかつ遮断のタイミングが予め設定し
た開放時間でなされるように構成されている特許請求の
範囲第8項記載の半導体光電気化学電極評価装置。 (11)前記照射光断続手段が、光遮断器と、その光遮
断器を半導体電極に対する照射光の光路に挿入および離
脱させるための駆動手段と、その駆動手段を制御するた
めの制御手段とから構成され、光遮断器の開放時間およ
び遮断時間が、制御手段に設けられたタイマーにより制
御されるように構成されている特許請求の範囲第8項記
載の半導体光電気化学電極評価装置。 (12)前記照射光断続手段が、光透過部および光遮蔽
部を交番的に形成した光断続器と、その光断続器を駆動
する駆動手段と、その駆動手段を制御する制御部とによ
って構成され、予め設定した速度で前記光断続器の駆動
速度を制御することによって照射・遮断時間が制御され
るように構成されている特許請求の範囲第8項記載の半
導体光電気化学′R極評価装置。 (13)前記温度検出手段を、測定範囲内において実質
的に特性が同じ2個の感熱素子と、同感熱素子の出力の
差を検出する回路とによって構成し、一方の感熱素子は
半導体電極の温度を直接検出するべく半導体電極に接触
して配置するとともに、他方の感熱素子は半導体電極の
周囲の電解液の温度を検出するべく半導体電極近傍に配
置し、同感熱素子の出力の差を検出することにより周囲
の海7一 度変化の影響を除去した半導体電極のみの温度上昇を検
出するように構成した特許請求の範囲第5項記載の半導
体光電気化学電極評価装置。 (14)前記出力差検出回路が、前記同感熱素子を組込
んだ直流ブリッジもしくは交流ブリッジで構成されてい
る特許請求の範囲第13項記載の半導体光電気化学電極
評価装置。[Claims] <1) An electrolytic solution is contained in a sample chamber that is thermally isolated from the surroundings, and a reference electrode and a counter electrode are immersed together with a semiconductor electrode to be evaluated in the electrolytic solution, and the semiconductor electrode is , in a state in which a voltage is applied by changing the potential with respect to a reference electrode according to a preset program, and in a state in which the semiconductor electrode is open circuited, light of a selected wavelength is intermittently applied to the semiconductor electrode in a predetermined manner. The temperature rise of the semiconductor electrode due to the irradiation light is directly detected, and the temperature rise value of the semiconductor electrode due to the irradiation light in a voltage applied state, the temperature rise value of the semiconductor electrode due to the irradiation light in an open circuit state, and the voltage 1. A method for evaluating a semiconductor photoelectrochemical electrode, the method comprising measuring the quantum efficiency and/or energy conversion efficiency of a semiconductor electrode using the potential of the semiconductor electrode relative to a reference electrode in an applied state. (2) The temperature rise of the semiconductor electrode due to the irradiation light detected by changing the applied potential in the voltage application state is normalized by the temperature rise value of the semiconductor electrode due to the irradiation light in the open circuit state,
Then, create a graph with the value obtained by multiplying each standardized temperature rise value by the energy determined by the wavelength of the irradiated light on the vertical axis and the potential obtained by subtracting the flat band potential from the potential applied to the semiconductor electrode on the horizontal axis, A semiconductor photoelectrochemical electrode according to claim 1, wherein each point within the photocurrent saturation region on the graph is approximated by a straight line, and the quantum efficiency of the semiconductor electrode is determined based on the slope of the straight line. evaluation method. (3) The method for evaluating a semiconductor photoelectrochemical electrode according to claim 2, wherein each point within the photocurrent saturation region on the graph is linearly approximated by the least squares method to determine its slope. (4) Normalize the temperature rise due to the irradiation light of the semiconductor electrode detected by changing the applied potential in the voltage application state by the temperature rise value due to the irradiation light of the semiconductor electrode in the open circuit state,
Then, create a graph with the value obtained by multiplying each standardized temperature increase value by the energy determined by the wavelength of the irradiated light on the vertical axis and the potential obtained by subtracting the flat band potential from the potential applied to the semiconductor electrode on the horizontal axis, Each point in the charge flow saturation region on the graph is approximated by a straight line, and the electrode reaction heat is corrected for the value obtained by extrapolating the approximated straight line to estimate the heat generated by nonradiative deactivation and recombination. , subtract that value from the total energy of light incident on the semiconductor electrode determined by the wavelength of irradiation light, irradiation time, and intensity of irradiation light, and divide the subtracted value by the total energy to calculate the energy conversion efficiency of the semiconductor electrode. A method for evaluating a semiconductor photoelectrochemical electrode according to claim 1, characterized in that: (5) a sample chamber containing an electrolyte that is thermally isolated from the surroundings; a reference electrode and a counter electrode that are immersed in the electrolyte in the sample chamber together with the semiconductor electrode to be evaluated; means for applying a voltage such that the potential of the semiconductor electrode relative to the reference electrode changes according to a preset program, and light of a selected wavelength applied to the semiconductor electrode immersed in the electrolyte in said sample chamber. irradiation means for irradiating the semiconductor electrode, temperature detection means for directly detecting the temperature rise of the semiconductor electrode due to the irradiation light, and storage and calculation means for storing and calculating the detection signal from the temperature detection means and the potential of the semiconductor electrode with respect to a standard electrode. The storage calculation means is configured to store a temperature rise value of the semiconductor electrode due to irradiation light detected by the temperature detection means when the semiconductor electrode is in an open circuit state, and a temperature rise value of the semiconductor electrode with respect to a reference electrode when a voltage is applied. The quantum efficiency and/or energy conversion efficiency of the semiconductor electrode is determined by storing and calculating the temperature rise value of the semiconductor electrode caused by the irradiation light and the potential of the semiconductor electrode detected by the temperature detecting means corresponding to the electric potential. A semiconductor photochemical electrode evaluation device characterized by: (6) The storage/arithmetic means is configured to detect a temperature rise value of the semiconductor electrode due to the irradiation light detected by the temperature detection means by changing the applied potential in the voltage application state, and a temperature increase value detected by the temperature detection means in the open circuit state. The temperature rise value of the semiconductor electrode caused by the irradiation light is stored, and each temperature rise value in the stored voltage application state is normalized by the stored temperature rise value in the open circuit state, and each of the normalized temperature rise values is The value obtained by multiplying the temperature rise value by the energy determined by the wavelength of the irradiated light is stored as a function of the potential obtained by subtracting the flat band potential from the potential applied to the semiconductor electrode, and the multivalues in the charge flow saturation region of that function are plotted as a straight line. 6. The device for evaluating a semiconductor photoelectrochemical electrode according to claim 5, wherein the slope of the straight line is calculated and output as data as m-molecular efficiency of the semiconductor electrode. (7) The storage/calculation means is configured to store a temperature rise value of the semiconductor electrode due to the irradiation light detected by the temperature detection means by changing the applied potential in a voltage applied state, and a temperature rise value of the semiconductor electrode detected by the concentration detection means in an open circuit state. The temperature rise value due to the irradiation light is stored, and each temperature rise value in the stored voltage application state is normalized by the stored temperature rise value in the open circuit state, and each of the normalized temperatures is The value obtained by multiplying the increase value by the energy determined by the wavelength of the irradiated light is stored as a function of the potential obtained by subtracting the flat band potential from the potential applied to the semiconductor electrode, and the multivalues in the charge flow saturation region of that function are plotted as a straight line. The heat generated by non-radiative deactivation and recombination is calculated by correcting the electrode reaction heat with respect to the value obtained by extrapolating the approximate straight line, and the value is calculated based on the wavelength of the irradiation light, the irradiation time,
Subtracted from the total incident light energy determined by the irradiation light intensity,
6. The semiconductor photoelectrochemical electrode evaluation device according to claim 5, wherein the subtracted value is divided by the total energy and data is output as the energy conversion efficiency of the semiconductor electrode. (8) The irradiation light means includes a light source, a wavelength selector for selecting light of a wavelength to be irradiated to the semiconductor electrode from light from the light source, and an irradiation light intermittent for intermittent irradiation light to the semiconductor electrode. 6. A semiconductor photoelectrochemical electrode evaluation device according to claim 5, which is configured to include means. (9) The wavelength selector is comprised of a spectroscope having a dispersion element that separates light from a light source, or a plurality of bandpass filters each having a different wavelength band. Semiconductor photoelectrochemical electrode evaluation device. (10) The irradiation light intermittent means includes a light interrupter and its light source.
The optical circuit breaker is composed of a driving means for inserting and removing the S-interrupter into and out of the optical path of the irradiation light to the semiconductor electrode, and a control section for controlling the driving means, and the opening timing of the optical circuit breaker is determined by the temperature detecting means. 9. The semiconductor photoelectrochemical electrode evaluation device according to claim 8, wherein the semiconductor photoelectrochemical electrode evaluation device is controlled based on a result of processing and determining the output signal of the device, and is configured such that the timing of shutoff is set at a preset opening time. (11) The irradiation light intermittent means includes a light interrupter, a drive means for inserting and removing the light interrupter into and out of the optical path of the irradiation light to the semiconductor electrode, and a control means for controlling the drive means. 9. The semiconductor photoelectrochemical electrode evaluation device according to claim 8, wherein the semiconductor photoelectrochemical electrode evaluation device is configured such that the open time and cut-off time of the optical interrupter are controlled by a timer provided in the control means. (12) The irradiation light intermittent means includes a light interrupter in which a light transmitting part and a light shielding part are formed alternately, a driving means for driving the optical interrupter, and a control part for controlling the driving means. The semiconductor photoelectrochemical 'R' pole evaluation according to claim 8, wherein the irradiation/interruption time is controlled by controlling the driving speed of the optical interrupter at a preset speed. Device. (13) The temperature detection means is constituted by two heat-sensitive elements having substantially the same characteristics within the measurement range and a circuit for detecting the difference in output of the heat-sensitive elements, one of the heat-sensitive elements being a semiconductor electrode. The other heat-sensitive element is placed in contact with the semiconductor electrode to directly detect the temperature, and the other heat-sensitive element is placed near the semiconductor electrode to detect the temperature of the electrolyte surrounding the semiconductor electrode, and the difference in the output of the heat-sensitive element is detected. 6. The semiconductor photoelectrochemical electrode evaluation device according to claim 5, wherein the semiconductor photoelectrochemical electrode evaluation device is configured to detect the temperature rise of only the semiconductor electrode, thereby eliminating the influence of changes in the surrounding ocean. (14) The semiconductor photoelectrochemical electrode evaluation device according to claim 13, wherein the output difference detection circuit is constituted by a DC bridge or an AC bridge incorporating the thermosensitive element.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP58247461A JPH0692959B2 (en) | 1983-12-30 | 1983-12-30 | Method and apparatus for evaluating semiconductor photoelectrochemical electrode |
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JP58247461A JPH0692959B2 (en) | 1983-12-30 | 1983-12-30 | Method and apparatus for evaluating semiconductor photoelectrochemical electrode |
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JPS60143574A true JPS60143574A (en) | 1985-07-29 |
JPH0692959B2 JPH0692959B2 (en) | 1994-11-16 |
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ID=17163787
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JP58247461A Expired - Lifetime JPH0692959B2 (en) | 1983-12-30 | 1983-12-30 | Method and apparatus for evaluating semiconductor photoelectrochemical electrode |
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-
1983
- 1983-12-30 JP JP58247461A patent/JPH0692959B2/en not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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---|---|
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