光電気化学セル

「光電気化学セル」は、大きく分けて2種類のデバイスに分類されます。1つ目は、色素増感型太陽電池と同様に電気エネルギーを生成するもので、太陽電池の標準的な定義を満たしています。2つ目は光電解セルで、光増感剤、半導体、または電解液に浸された金属水溶液に光を照射することで、例えば水の電気分解によって水素を生成するなど、化学反応を直接引き起こすデバイスです。

どちらのタイプのデバイスも太陽電池の一種であり、光電気化学セルの機能は、光電効果（または非常によく似た光起電力効果）を利用して、電磁放射（通常は太陽光）を直接電気エネルギーに変換するか、あるいはそれ自体が容易に電気エネルギーの生成に利用できるもの（例えば、水素は燃焼させて電気エネルギーを生成することができる。光水素を参照）に変換することである。

標準的な光起電力効果は、標準的な太陽電池で起こるように、半導体媒体中の負電荷キャリア（電子）の励起を伴い、最終的に電力を生成するために抽出されるのは負電荷キャリア（自由電子）である。グラッツェル電池を含む光電気化学電池の分類は、電荷キャリアが励起子であることが多いものの、この狭義の定義に合致する。

一方、光電気分解セル内の状況は全く異なります。例えば、水分解光電気化学セルでは、半導体中の電子が光によって励起されると、正孔が生じ、それが隣接する水分子から電子を「引き寄せる」のです。

${\displaystyle {\ce {H2O(l) + [hv] + 2h+ -> 2H+ (aq) + 1/2O2(g)}}}$

これにより、溶液中に正電荷キャリア（プロトン、すなわちH+イオン）が残ります。これらのプロトンは、水素ガスを形成するために、他の1つのプロトンと結合し、2つの電子と結合する必要があります。

${\displaystyle {\ce {2H+ + 2e- -> H2(g)}}}$

光合成細胞は光電解細胞の別の形態であり、その場合、分子状水素ではなく炭水化物が生成される。

（水分解）光電気分解セルは、陽極に電磁放射、すなわち光を照射することにより、水を水素と酸素ガスに電気分解します。これは人工光合成と呼ばれ、太陽エネルギーを水素に貯蔵して燃料として使用する方法として提案されています。 ^{[ 1 ]}

入射する太陽光はシリコン電極表面付近の自由電子を励起します。これらの電子はワイヤーを通ってステンレス鋼電極に流れ、そこで4つの電子が4つの水分子と反応して2つの水素分子と4つのOH基を形成します。OH基は液体電解質を通ってシリコン電極の表面に移動します。そこで4つの光電子に関連する4つの正孔と反応し、結果として2つの水分子と1つの酸素分子が生成されます。照射されたシリコンは電解質と接触するとすぐに腐食し始めます。腐食は材料を消費し、セル内の表面と界面の特性を破壊します。^{[ 2 ]}

光触媒作用によって動作する光化学システムには2種類あります。1つは半導体表面を触媒として使用するものです。これらのデバイスでは、半導体表面が太陽エネルギーを吸収し、水の分解のための電極として機能します。もう1つの方法は、溶液中の金属錯体を触媒として使用するものです。^{[ 3 ] [ 4 ]}

光電セルは10%の経済効率の壁を突破した。半導体は水と直接接触するため、腐食が依然として問題となっている。^{[ 5 ]}現在、米国エネルギー省が定めた要件である10,000時間の耐用年数を達成するための研究が進行中である。^{[ 6 ]}

最初に設計された光起電力セルは、最初の光電気化学セルでもありました。それは1839年にアレクサンドル＝エドモン・ベクレルが19歳の時に父親の研究室で作りました。^{[ 7 ]}

近年の研究で最も一般的に行われている現代的な光電気化学セルはグレーツェルセルであるが、近年では、その比較的高い効率と、製造に一般的に用いられる蒸着技術の類似性から、ペロブスカイト太陽電池に注目が集まっている。

色素増感太陽電池またはグレーツェルセルは、色素を吸着した高多孔性ナノ結晶二酸化チタン（nc- TiO₂）を使用する。₂）電気エネルギーを生成する。

水分解光電気化学（PEC）セルは、2電極セル内で光エネルギーを使用して水を水素と酸素に分解します。理論的には、PECの組み立てにおける光電極の配置には3つの種類があります。^{[ 8 ]}

• n型半導体と金属カソードからなる光アノード
• n型半導体からなる光アノードとp型半導体からなる光カソード
• p型半導体と金属陽極からなる光電陰極

PECにおける光電極材料にはいくつかの要件がある。${\displaystyle {\ce {H2}}}$生産: ^{[ 9 ]}

• 光吸収：バンドギャップによって決定され、太陽光照射スペクトルに適している。
• 電荷輸送：光電極は抵抗損失を最小限に抑えるために導電性（または半導電性）でなければならない。
• 適切なバンド構造: 水を分解するのに十分な大きなバンドギャップ (1.23V) と酸化還元電位に対する適切な位置${\displaystyle {\ce {H2}}}$そして${\displaystyle {\ce {O2}}}$
• 触媒活性：高い触媒活性は水分解反応の効率を高める
• 安定性：材料は分解や機能喪失を防ぐために安定していなければならない。

これらの要件に加えて、PEC水分解の普及を可能にするためには、材料が低コストで地球上に豊富に存在するものでなければならない。

記載されている要件は一般的に適用できますが、光アノードと光カソードでは若干異なる要件があります。優れた光カソードは、酸素発生反応の開始が早く（過電圧が低い）、飽和時の光電流が大きく、開始時の光電流が急速に増加する特性を備えています。一方、優れた光アノードは、高電流と急速な光電流増加に加え、水素発生反応の開始が早い特性を備えています。電流を最大化するには、アノード材料とカソード材料を適切に組み合わせる必要があります。あるカソード材料に最適なアノードが、別のカソード材料にも最適とは限りません。

構造材料

吸収材料の構造化は、セル性能にプラスとマイナスの両方の影響を与えます。構造化により、光吸収とキャリア収集が異なる場所で行われるようになり、純粋な材料に対する要件が緩和され、触媒作用が促進されます。これにより、より酸化的な条件下で安定する可能性のある非貴金属および酸化物触媒の使用が可能になります。ただし、これらのデバイスは開放回路電位が低く、性能低下につながる可能性があります。^{[ 22 ]}

赤鉄鉱

研究者らは、低コスト、n型ドーピングが可能であること、およびバンドギャップ（2.2eV）のため、PEC水分解装置におけるヘマタイト（α-Fe ₂ O _{3 ）の使用について広範囲に調査してきた。しかし、性能は低い導電率と結晶異方性によって阻害されている。} ^{[ 23 ]一部の研究者は、表面に助触媒の層を形成することによって触媒活性を高めている。助触媒には、リン酸コバルト[ 24 ]}および酸化イリジウム^{[ 25 ]}が含まれる。酸化イリジウムは、酸素発生反応に対して非常に活性な触媒であることが知られている。^{[ 22 ]}

酸化タングステン

さまざまな温度でいくつかの異なる多形を示す酸化タングステン(VI) (WO ₃ ) は、高い導電率のため注目されていますが、比較的広い間接バンドギャップ (約 2.7 eV) を持つため、太陽光スペクトルの大部分を吸収できません。吸収率を高めるための多くの試みが行われてきましたが、その結果、導電率が低下し、WO _{3 は}PEC 水分解の実現可能な材料とは見なされていません。^{[ 22 ]}

バナジン酸ビスマス

より狭い直接バンドギャップ（2.4 eV）と水の酸化電位との適切なバンドアライメントにより、BiVOの単斜晶系は_4は研究者の関心を集めている。 ^{[ 22 ]}時間の経過とともに、Vリッチ^{[ 26 ]}および緻密な膜^{[ 27 ]}がより高い光電流、つまりより高い性能と関連していることが示されている。バナジン酸ビスマスは太陽電池にも研究されている。${\displaystyle {\ce {H2}}}$海水からの生成は、汚染イオンの存在やより過酷な腐食環境のため、はるかに困難である^{[ 28 ] 。}

光電気化学酸化（PECO）とは、光によって半導体が触媒酸化反応を促進するプロセスである。光電気化学セルは通常、半導体（電極）と金属（対向電極）の両方を含むが、十分に小さなスケールでは、純粋な半導体粒子が微小な光電気化学セルとして機能する。PECOは、空気や水の浄化、水素製造、その他の用途に応用されている。

• IUIA Gurevich、IUV Pleskov、ZA Rotenberg、『光電気化学』、ニューヨーク：コンサルタンツ・ビューロー、1980年。
• M. スキアヴェッロ著『光電気化学、光触媒、および光反応器：基礎と発展』ドルトレヒト：ライデル、1985年。
• AJ Bard、M. Stratmann、S. Licht、「電気化学百科事典、第6巻、半導体電極と光電気化学」、Wiley、2002年。

• EERE-ヘテロ構造二酸化チタンナノチューブアレイを用いた光電気化学的水素生成Mano （2017年2月7日にWayback Machineにアーカイブ済み）
• ワイヤード