(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に配置される支持基板上に形成され、水の分解エネルギーより大きなバンドギャップを持ち、電子のエネルギーバンドで、伝導帯の底が水素発生エネルギー準位より上にあり、価電子帯の頂上が酸素発生エネルギー準位よりも下にあるような半導体薄膜を水溶液に浸漬し、前記半導体薄膜に光を照射し、該光によって生成された電子とホールをビルトイン電界によって分離し、水素と酸素を生成させることを特徴とする水の光分解方法。
【請求項２】
請求項１記載の水の光分解方法において、前記半導体薄膜の膜厚を１〜５μｍにすることを特徴とする水の光分解方法。
【請求項３】
（ａ）容器内に配置される支持基板上に形成され、水の分解エネルギーより大きなバンドギャップを持ち、電子のエネルギーバンドで、伝導帯の底が水素発生エネルギー準位より上にあり、価電子帯の頂上が酸素発生エネルギー準位よりも下にあるような半導体薄膜と、
（ｂ）前記半導体薄膜を浸漬する水溶液と、
（ｃ）前記半導体薄膜に照射する太陽光照射手段とを具備することを特徴とする水の光分解装置。
【請求項４】
（ａ）容器内に配置される支持基板上に形成され、水の分解エネルギーより大きなバンドギャップを持ち、電子のエネルギーバンドで、伝導帯の底が水素発生エネルギー準位より上にあり、価電子帯の頂上が酸素発生エネルギー準位よりも下にあるような半導体薄膜と、
（ｂ）該半導体薄膜に接続される対電極と、
（ｃ）前記半導体薄膜と前記対電極を浸漬する水溶液と、
（ｄ）前記半導体薄膜に照射する太陽光照射手段とを具備することを特徴とする水の光分解装置。
【請求項５】
請求項３又は４記載の水の光分解装置において、前記半導体薄膜は、ＺｎＯ又はＴｉＯ2 からなることを特徴とする水の光分解装置。
【請求項６】
請求項３又は４記載の水の光分解装置において、前記半導体薄膜は、アモルファスＳｉ−ｎｉｐ構造からなることを特徴とする水の光分解装置。
【請求項７】
請求項３、４、５又は６記載の水の光分解装置において、前記半導体薄膜は、その厚さが１μｍから５μｍであることを特徴とする水の光分解装置。
【請求項８】
請求項３、４、５又は６記載の水の光分解装置において、前記半導体薄膜は、支持基板に形成される穴に配置することを特徴とする水の光分解装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水の光分解方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から水の光分解では本多・藤島効果として知られ多くの研究がなされているが、まだ実用に値する変換効率を得るに至っていない。
【０００３】
また、水分解装置として、例えば、特開平７−１５０３７９号が提案されている。
【０００４】
図６はかかる従来の水分解装置の構成図である。
【０００５】
この水分解装置では、太陽光１１１が入射するためにその上面が開口した電解槽１１２があり、その開口部に第１の半導体電極であるＧａＡｓ電極１１３と第２の半導体電極であるＭｏＳ2 電極１１４が設けられている。ＧａＡｓ電極１１３は第１の対電極となるＰｔ電極１１５に電気的に接続されている。また、ＭｏＳ2 電極１１４は第２の対電極となるＲｕＯ2 電極１１６に電気的に接続されている。これらのＧａＡｓ電極１１３、ＭｏＳ2 電極１１４、Ｐｔ電極１１５およびＲｕＯ2 電極１１６は電解液１１７に浸漬されている。電解液１１７は中間反応物質となるよう素／よう化水素を含む水溶液である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の水分解装置は、光起電力を単に電気分解のための電池として使用したものであり、しかも、電極配置が複雑であり、コストがかかるといった問題があった。
【０００７】
本発明は、上記状況に鑑みて、水溶液に浸漬した半導体薄膜に光を照射し、その光によって生成された電子とホールをビルトイン電界によって分離することにより、水が効率よく分解され、しかも、構成が極めて簡素化され、コストを低減することができる水の光分解方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕水の光分解方法において、容器内に配置される支持基板上に形成され、水の分解エネルギーより大きなバンドギャップを持ち、電子のエネルギーバンドで、伝導帯の底が水素発生エネルギー準位より上にあり、価電子帯の頂上が酸素発生エネルギー準位よりも下にあるような半導体薄膜を水溶液に浸漬し、前記半導体薄膜に光を照射し、その光によって生成された電子とホールをビルトイン電界によって分離し、水素と酸素を生成させることを特徴とする。
【０００９】
〔２〕上記〔１〕記載の水の光分解方法において、前記半導体薄膜の膜厚を１〜５μｍにすることを特徴とする。
【００１０】
〔３〕水の光分解装置において、容器内に配置される支持基板上に形成され、水の分解エネルギーより大きなバンドギャップを持ち、電子のエネルギーバンドで、伝導帯の底が水素発生エネルギー準位より上にあり、価電子帯の頂上が酸素発生エネルギー準位よりも下にあるような半導体薄膜と、前記半導体薄膜を浸漬する水溶液と、前記半導体薄膜に照射する太陽光照射手段とを具備することを特徴とする。
【００１１】
〔４〕水の光分解装置において、容器内に配置される支持基板上に形成され、水の分解エネルギーより大きなバンドギャップを持ち、電子のエネルギーバンドで、伝導帯の底が水素発生エネルギー準位より上にあり、価電子帯の頂上が酸素発生エネルギー準位よりも下にあるような半導体薄膜と、この半導体薄膜に接続される対電極と、前記半導体薄膜と対電極を浸漬する水溶液と、前記半導体薄膜に照射する太陽光照射手段とを具備することを特徴とする。
【００１２】
〔５〕上記〔３〕又は〔４〕記載の水の光分解装置において、前記半導体薄膜は、ＺｎＯ又はＴｉＯ2 からなることを特徴とする。
【００１３】
〔６〕上記〔３〕又は〔４〕記載の水の光分解装置において、前記半導体薄膜は、アモルファスＳｉ−ｎｉｐ構造からなることを特徴とする。
【００１４】
〔７〕上記〔３〕、〔４〕、〔５〕又は〔６〕記載の水の光分解装置において、前記半導体薄膜は、その厚さが１μｍから５μｍであることを特徴とする。
【００１５】
〔８〕上記〔３〕、〔４〕、〔５〕又は〔６〕記載の水の光分解装置において、前記半導体薄膜は、支持基板に形成される穴に配置することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の原理を示す水の光分解装置の構成図であり、図２はその水の光分解装置の電子のエネルギーバンドの模式図であり、図２（ａ）は単一のバンドギャップを有する半導体薄膜の場合、図２（ｂ）は異なるバンドギャップ（▲１▼，▲２▼，▲３▼）を有する半導体薄膜の場合を示している。図３は各種の半導体薄膜の電子のエネルギーバンドである。
【００１８】
図１において、１は容器、２はその容器１に配置された支持体、３はその支持体２に形成された穴、４はその穴３に設けられた半導体薄膜であり、その厚さは１〜５μｍである。５は水溶液、６は外部から照射される太陽光である。
【００１９】
ここで、半導体薄膜４は、水の分解エネルギー１．２３ｅＶより大きなバンドギャップを持ち、図３に示す電子のエネルギーバンド図で、伝導帯の下端１１が水素発生エネルギー準位（Ｈ2 ／Ｈ2 Ｏ）より上にあり、価電子帯の上端１２が酸素発生エネルギー準位（Ｏ2 ／Ｈ2 Ｏ）よりも下にあるように構成した。その場合、半導体薄膜４にはビルトイン電界が大部分に拡がるようになる。ここで、ビルトイン電界とは、外部から電圧をかけなくても生じている電界のことであり、一般には、フェルミ電位の異なる物質の接合によって生じる。電界の分布は、この領域にある電荷の分布（普通は不純物の分布）によって決まる。
【００２０】
これにより、太陽光６を半導体薄膜４に照射することにより、その太陽光６によって生成された電子とホールをビルトイン電界によって分離し、水素と酸素を生成させることができる。
【００２１】
図４は本発明の第１実施例を示す水の光分解装置の構成図である。
【００２２】
この図において、２１は容器、２２は支持基板、２３はその支持基板に形成される複数の穴（大きな１個の穴でもよい）、２４はその複数の穴に設けられるＺｎＯ半導体薄膜であり、その厚さは１〜５μｍである。２５は水溶液、２６は太陽光である。
【００２３】
ここでも、ＺｎＯ半導体薄膜２４は、水の分解エネルギー１．２３ｅＶより大きなバンドギャップを持ち、図３に示す電子のエネルギーバンド図で、伝導帯の下端１１が水素発生エネルギー準位（Ｈ2 ／Ｈ2 Ｏ）より上にあり、価電子帯の上端１２が酸素発生エネルギー準位（Ｏ2 ／Ｈ2 Ｏ）よりも下にあるような半導体薄膜である。その場合、ＺｎＯ半導体薄膜２４にはビルトイン電界が大部分に拡がるようになり、太陽光２６をＺｎＯ半導体薄膜２４に照射することにより、その太陽光２６によって生成された電子とホールをビルトイン電界によって分離し、水素と酸素を生成させることができる。なお、上記ＺｎＯ半導体薄膜に代えて、ＴｉＯ2 半導体薄膜を用いても同様の作用効果を奏することができる。
【００２４】
なお、ＺｎＯ半導体薄膜２４は支持基板２２としての半導体基板表面にＺｎＯ薄膜を形成し、その半導体基板の裏面からその半導体基板の複数箇所をエッチングすることにより穴２３を形成することができる。このように半導体製造プロセスを用いて微細な加工が可能である。
【００２５】
また、予め半導体基板に穴を形成しておき、その半導体基板の表面にＺｎＯ薄膜を形成するようにしてもよい。
【００２６】
図５は本発明の第２実施例を示す水の光分解装置の構成図である。
【００２７】
この図において、３１は容器、３２は支持基板、３３は支持基板３２に形成される複数の穴（大きな１個の穴でもよい）、３４はその支持基板３２上に形成されるアモルファスＳｉ−ｎｉｐ構造の半導体薄膜であり、その厚さは１〜５μｍである。３５は対電極としてのＰｔ電極、３６は導線、３７は水溶液、３８は太陽光である。
【００２８】
ここでも、アモルファスＳｉ−ｎｉｐ構造の半導体薄膜３４は、水の分解エネルギー１．２３ｅＶより大きなバンドギャップを持ち、伝導帯の下端が水素発生エネルギー準位より上にあり、価電子帯の上端が酸素発生エネルギー準位よりも下にあるようなアモルファスＳｉ−ｎｉｐ構造の半導体薄膜で構成した。この場合にも、アモルファスＳｉ−ｎｉｐ構造の半導体薄膜３４にはビルトイン電界が拡がるようになり、太陽光３８をアモルファスＳｉ−ｎｉｐ構造の半導体薄膜３４に照射することにより、その太陽光３８によって生成された電子とホールをビルトイン電界によって分離し、水素と酸素を生成させることができる。
【００２９】
なお、アモルファスＳｉ−ｎｉｐ構造の半導体薄膜３４は、支持基板３２としての半導体基板表面にアモルファスＳｉ−ｎｉｐ構造の半導体薄膜３４を形成し、その半導体基板の裏面からその半導体基板の複数箇所をエッチングすることにより穴３３を形成することができる。このように半導体製造プロセスを用いて微細な加工が可能である。
【００３０】
上記したように、本発明によれば、水溶液中の１〜５μｍの半導体薄膜に太陽光を照射することにより、その太陽光３８によって生成された電子とホールをビルトイン電界によって分離し、水素と酸素を効率的に水溶液を水素と酸素に分解することができた。
【００３１】
なお、上記したＺｎＯ、ＴｉＯ2 又はアモルファスＳｉ−ｎｉｐ構造の半導体薄膜の外にも、ＣｄＯ，ＭｇＯ，ＳｒＯ，ＣａＯ，ＢａＯ，ＳｒＯ2 ，Ｖ2 Ｏ3 ，ＮｉＯ，ＣｕＯ，ＷＯ3 ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，Ｍｎ2 Ｏ3 ，Ｆｅ2 Ｏ3 ，ＣｏＯ，ＭｎＯ，ＦｅＯ，Ｂ2 Ｏ3 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，Ｇａ2 Ｏ3 ，Ｉｎ2 Ｏ3 ，ＳｎＯ2 ，ＰｂＯやそれらの混晶（例えば、ＺｎＯとＧａ2 Ｏ3 の混晶であれば、ＺｎＧａ2 Ｏ4 など）が考えられる。
【００３２】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、水溶液中の半導体薄膜に太陽光を照射することにより、その太陽光によって生成された電子とホールをビルトイン電界によって分離し、水素と酸素を効率的に水素と酸素に分解することができ、しかも、水が効率よく分解され、かつ、構成が極めて簡素化され、コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を示す水の光分解装置の構成図である。
【図２】本発明の水の光分解装置の電子のエネルギーバンドの模式図である。
【図３】本発明の各種の半導体薄膜の電子のエネルギーバンドである。
【図４】本発明の第１実施例を示す水の光分解装置の構成図である。
【図５】本発明の第２実施例を示す水の光分解装置の構成図である。
【図６】従来の水分解装置の構成図である。
【符号の説明】
１，２１，３１    容器
２    支持体
３    支持体に形成された穴
４    半導体薄膜（１〜５μｍ）
５，２５，３７    水溶液
６，２６，３８    太陽光
１１    伝導帯の下端
１２    価電子帯の上端
２２，３２    支持基板
２３，３３    支持基板に形成される複数の穴
２４    ＺｎＯ半導体薄膜（１〜５μｍ）
３４    アモルファスＳｉ−ｎｉｐ構造の半導体薄膜（１〜５μｍ）
３５    対電極（Ｐｔ電極）
３６    導線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003652615.tif 000006
【図６】
0003652615.tif 000007