Eletroquímica e Fotoeletroquímica de Semicondutores

A eletroquímica de semicondutores trata de eletrodos cujo potencial interfacial e reatividade são governados por uma região de carga espacial dentro do sólido, permitindo reações impulsionadas pela luz em células fotoeletroquímicas.

Definition

A eletroquímica de eletrodos semicondutores, na qual uma região de carga espacial dentro do sólido controla a transferência de carga, e onde a iluminação pode gerar os portadores de carga que impulsionam as reações do eletrodo.

Scope

Este tópico aborda o comportamento distintivo dos eletrodos semicondutores: a camada de carga espacial e o encurvamento de bandas, o potencial de banda plana e sua determinação pela análise de Mott–Schottky, o papel das bandas de condução e valência na transferência de elétrons, e a fotoeletroquímica na qual a luz absorvida gera portadores que impulsionam a oxidação ou redução. Inclui aplicações para a divisão solar da água e células sensibilizadas por corantes.

Core questions

• Como um eletrodo semicondutor difere de um metal em sua distribuição de potencial interfacial?
• O que são o potencial de banda plana e o encurvamento de bandas, e como são medidos?
• Como a luz absorvida gera portadores que impulsionam reações eletroquímicas?
• Como as células fotoeletroquímicas convertem luz em energia química ou elétrica?

Key theories

Camada de carga espacial e encurvamento de bandas

Como um semicondutor possui poucos portadores móveis, grande parte da queda de potencial interfacial ocorre dentro do sólido como uma região de carga espacial; o encurvamento de bandas resultante controla a energética e a direção da transferência de carga, analisada por meio de gráficos de Mott–Schottky.

Geração de portadores fotoeletroquímicos

A luz com energia acima da banda proibida cria pares elétron-lacuna; o campo de carga espacial os separa para que os portadores minoritários impulsionem reações redox interfaciais, a base da divisão fotoeletroquímica da água e das células solares.

Clinical relevance

A eletroquímica de semicondutores sustenta a produção fotoeletroquímica de combustíveis solares, incluindo a divisão da água para hidrogênio, células sensibilizadas por corantes e outras células solares, remediação ambiental fotocatalítica e a gravação e processamento de semicondutores na fabricação de eletrônicos.

History

Gerischer desenvolveu a teoria da transferência de carga em eletrodos semicondutores na década de 1960; a demonstração de Fujishima e Honda em 1972 da divisão fotoeletroquímica da água em dióxido de titânio impulsionou uma intensa pesquisa em combustíveis solares e fotoeletroquímica.

Key figures

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

Seminal works

• fujishima1972
• memming2015
• bard2001

Frequently asked questions

Por que os eletrodos semicondutores podem responder à luz enquanto os eletrodos metálicos geralmente não?

A banda proibida de um semicondutor permite que ele absorva luz para criar pares elétron-lacuna, e seu campo de carga espacial interno os separa para impulsionar reações interfaciais, enquanto os elétrons livres abundantes de um metal relaxam a energia absorvida como calor sem separação de carga sustentada.

O que é o potencial de banda plana?

É o potencial do eletrodo no qual não há encurvamento de bandas e nenhum campo de carga espacial no semicondutor; é uma quantidade de referência chave, comumente obtida a partir da interceptação de um gráfico de Mott–Schottky.