半導体電気化学および光電気化学

半導体電気化学は、界面電位降下と反応性が固体内の空間電荷領域によって支配される電極を扱い、光電気化学セルにおける光駆動反応を可能にする。

Definition

半導体電極の電気化学であり、固体内部の空間電荷領域が電荷移動を制御し、光照射によって電極反応を駆動する電荷キャリアが生成され得るもの。

Scope

このトピックでは、半導体電極の特異な挙動、すなわち空間電荷層とバンドベンディング、フラットバンド電位とそのモット・ショットキー解析による決定、電子移動における伝導帯と価電子帯の役割、そして吸収された光が酸化または還元を駆動するキャリアを生成する光電気化学について扱う。太陽光による水分解や色素増感太陽電池への応用も含まれる。

Core questions

• 半導体電極は、界面電位分布において金属とどのように異なるのか？
• フラットバンド電位とバンドベンディングとは何か、またそれらはどのように測定されるのか？
• 吸収された光はどのようにして電気化学反応を駆動するキャリアを生成するのか？
• 光電気化学セルはどのようにして光を化学エネルギーまたは電気エネルギーに変換するのか？

Key theories

空間電荷層とバンドベンディング

半導体は移動可能なキャリアが少ないため、界面電位降下の大部分は固体内部の空間電荷領域として発生する。結果として生じるバンドベンディングは、電荷移動のエネルギー論と方向を制御し、モット・ショットキープロットを介して解析される。

光電気化学的キャリア生成

バンドギャップ以上のエネルギーを持つ光は電子-正孔対を生成する。空間電荷電場はこれらを分離し、少数キャリアが界面でのレドックス反応を駆動する。これが光電気化学的水分解や太陽電池の基礎となる。

Clinical relevance

半導体電気化学は、水素製造のための水分解を含む光電気化学的太陽燃料生産、色素増感太陽電池およびその他の太陽電池、光触媒による環境浄化、エレクトロニクス製造における半導体のエッチングおよび加工の基盤となっている。

History

ゲリッシャーは1960年代に半導体電極における電荷移動の理論を発展させ、藤嶋と本多による1972年の二酸化チタン上での光電気化学的水分解の実証は、太陽燃料と光電気化学に関する集中的な研究を開始させた。

Key figures

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

Seminal works

• fujishima1972
• memming2015
• bard2001

Frequently asked questions

半導体電極はなぜ光に応答するのに、金属電極は一般的に応答しないのか？

半導体のバンドギャップは光を吸収して電子-正孔対を生成することを可能にし、その内部空間電荷電場はこれらを分離して界面反応を駆動する。一方、金属の豊富な自由電子は、持続的な電荷分離なしに吸収されたエネルギーを熱として緩和する。

フラットバンド電位とは何か？

それは、半導体内にバンドベンディングや空間電荷電場が存在しない電極電位である。これは重要な参照量であり、一般的にモット・ショットキープロットの切片から得られる。