Halbleiter-Elektrochemie und Photoelektrochemie

Die Halbleiter-Elektrochemie befasst sich mit Elektroden, deren Grenzflächenpotenzialabfall und Reaktivität durch eine Raumladungszone innerhalb des Festkörpers bestimmt werden, was lichtgetriebene Reaktionen in photoelektrochemischen Zellen ermöglicht.

Definition

Die Elektrochemie von Halbleiter-Elektroden, bei der eine Raumladungszone im Inneren des Festkörpers den Ladungstransfer steuert und bei der Beleuchtung die Ladungsträger erzeugen kann, die Elektrodenreaktionen antreiben.

Scope

Dieses Thema behandelt das charakteristische Verhalten von Halbleiter-Elektroden: die Raumladungsschicht und Bandverbiegung, das Flachbandpotential und dessen Bestimmung mittels Mott-Schottky-Analyse, die Rolle von Leitungs- und Valenzbändern beim Elektronentransfer sowie die Photoelektrochemie, bei der absorbiertes Licht Ladungsträger erzeugt, die Oxidation oder Reduktion antreiben. Es umfasst Anwendungen zur solaren Wasserspaltung und farbstoffsensibilisierten Solarzellen.

Core questions

• Wie unterscheidet sich eine Halbleiter-Elektrode von einem Metall in ihrer Grenzflächenpotentialverteilung?
• Was sind das Flachbandpotential und die Bandverbiegung, und wie werden sie gemessen?
• Wie erzeugt absorbiertes Licht Ladungsträger, die elektrochemische Reaktionen antreiben?
• Wie wandeln photoelektrochemische Zellen Licht in chemische oder elektrische Energie um?

Key theories

Raumladungsschicht und Bandverbiegung

Da ein Halbleiter nur wenige mobile Ladungsträger besitzt, findet ein Großteil des Grenzflächenpotenzialabfalls innerhalb des Festkörpers als Raumladungszone statt; die resultierende Bandverbiegung steuert die Energetik und Richtung des Ladungstransfers, analysiert mittels Mott-Schottky-Diagrammen.

Photoelektrochemische Ladungsträgererzeugung

Licht mit einer Energie oberhalb der Bandlücke erzeugt Elektron-Loch-Paare; das Raumladungsfeld trennt diese, sodass Minoritätsladungsträger Grenzflächen-Redoxreaktionen antreiben, was die Grundlage der photoelektrochemischen Wasserspaltung und von Solarzellen ist.

Clinical relevance

Die Halbleiter-Elektrochemie ist die Grundlage für die photoelektrochemische Erzeugung von Solartreibstoffen, einschließlich der Wasserspaltung zur Wasserstoffgewinnung, farbstoffsensibilisierter und anderer Solarzellen, der photokatalytischen Umweltsanierung sowie des Ätzens und der Verarbeitung von Halbleitern in der Elektronikfertigung.

History

Gerischer entwickelte in den 1960er Jahren die Theorie des Ladungstransfers an Halbleiter-Elektroden; Fujishima und Hondas Demonstration der photoelektrochemischen Wasserspaltung an Titandioxid im Jahr 1972 initiierte intensive Forschungen zu Solartreibstoffen und Photoelektrochemie.

Key figures

• Akira Fujishima
• Kenichi Honda
• Heinz Gerischer
• Rüdiger Memming

Seminal works

• fujishima1972
• memming2015
• bard2001

Frequently asked questions

Warum können Halbleiter-Elektroden auf Licht reagieren, während Metall-Elektroden dies im Allgemeinen nicht tun?

Die Bandlücke eines Halbleiters ermöglicht es ihm, Licht zu absorbieren, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen, und sein internes Raumladungsfeld trennt diese, um Grenzflächenreaktionen anzutreiben, während die reichlich vorhandenen freien Elektronen eines Metalls absorbierte Energie als Wärme ohne nachhaltige Ladungstrennung abgeben.

Was ist das Flachbandpotential?

Es ist das Elektrodenpotential, bei dem keine Bandverbiegung und kein Raumladungsfeld im Halbleiter vorhanden sind; es ist eine wichtige Referenzgröße, die üblicherweise aus dem Achsenabschnitt eines Mott-Schottky-Diagramms gewonnen wird.