Électrochimie et photoélectrochimie des semi-conducteurs

L'électrochimie des semi-conducteurs traite des électrodes dont la chute de potentiel interfaciale et la réactivité sont régies par une région de charge d'espace au sein du solide, permettant des réactions photo-induites dans les cellules photoélectrochimiques.

Definition

L'électrochimie des électrodes semi-conductrices, dans laquelle une région de charge d'espace à l'intérieur du solide contrôle le transfert de charge, et où l'illumination peut générer les porteurs de charge qui entraînent les réactions d'électrode.

Scope

Ce sujet couvre le comportement distinctif des électrodes semi-conductrices : la couche de charge d'espace et la courbure des bandes, le potentiel de bande plate et sa détermination par l'analyse de Mott-Schottky, le rôle des bandes de conduction et de valence dans le transfert d'électrons, et la photoélectrochimie dans laquelle la lumière absorbée génère des porteurs qui entraînent l'oxydation ou la réduction. Il inclut les applications à la dissociation photoélectrochimique de l'eau et aux cellules solaires à colorant.

Core questions

• En quoi une électrode semi-conductrice diffère-t-elle d'un métal en termes de distribution de potentiel interfacial ?
• Que sont le potentiel de bande plate et la courbure des bandes, et comment sont-ils mesurés ?
• Comment la lumière absorbée génère-t-elle des porteurs qui entraînent des réactions électrochimiques ?
• Comment les cellules photoélectrochimiques convertissent-elles la lumière en énergie chimique ou électrique ?

Key theories

Couche de charge d'espace et courbure des bandes

Étant donné qu'un semi-conducteur possède peu de porteurs mobiles, une grande partie de la chute de potentiel interfaciale se produit à l'intérieur du solide sous forme de région de charge d'espace ; la courbure des bandes qui en résulte contrôle l'énergétique et la direction du transfert de charge, analysées via les tracés de Mott-Schottky.

Génération de porteurs photoélectrochimiques

La lumière dont l'énergie est supérieure à la bande interdite crée des paires électron-trou ; le champ de charge d'espace les sépare de sorte que les porteurs minoritaires entraînent des réactions redox interfaciales, ce qui constitue la base de la dissociation photoélectrochimique de l'eau et des cellules solaires.

Clinical relevance

L'électrochimie des semi-conducteurs est à la base de la production photoélectrochimique de carburants solaires, y compris la dissociation de l'eau pour l'hydrogène, les cellules solaires à colorant et autres, la remédiation environnementale photocatalytique, ainsi que la gravure et le traitement des semi-conducteurs dans la fabrication électronique.

History

Gerischer a développé la théorie du transfert de charge aux électrodes semi-conductrices dans les années 1960 ; la démonstration par Fujishima et Honda en 1972 de la dissociation photoélectrochimique de l'eau sur le dioxyde de titane a lancé une recherche intensive sur les carburants solaires et la photoélectrochimie.

Key figures

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

Seminal works

• fujishima1972
• memming2015
• bard2001

Frequently asked questions

Pourquoi les électrodes semi-conductrices peuvent-elles réagir à la lumière alors que les électrodes métalliques ne le font généralement pas ?

La bande interdite d'un semi-conducteur lui permet d'absorber la lumière pour créer des paires électron-trou, et son champ de charge d'espace interne les sépare pour entraîner des réactions interfaciales, tandis que les électrons libres abondants d'un métal dissipent l'énergie absorbée sous forme de chaleur sans séparation de charge durable.

Qu'est-ce que le potentiel de bande plate ?

C'est le potentiel d'électrode auquel il n'y a ni courbure des bandes ni champ de charge d'espace dans le semi-conducteur ; c'est une grandeur de référence clé, généralement obtenue à partir de l'ordonnée à l'origine d'un tracé de Mott-Schottky.