(57)【要約】【課題】ＳｉＣを用いた光照射による水分解のエネルギー変換効率を向上させることである。【解決手段】相対的に低い不純物濃度を有するＳｉＣからなる光電極と、当該光電極と対をなす金属電極と、前記光電極と前記金属電極との間に相対的に高い不純物濃度を有するＳｉＣとを含むＳｉＣ光電極。前記相対的に低い不純物濃度が１０１５／ｃｍ３〜１０１７／ｃｍ３、前記相対的に高い不純物濃度が前記不純物濃度より１０〜１０３高い。 【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的に低い不純物濃度を有するＳｉＣからなる光電極と、当該光電極とオーミック接触となる金属電極と、前記光電極と前記金属電極との間に相対的に高い不純物濃度を有するＳｉＣとを含むＳｉＣ光電極。
【請求項２】
前記相対的に低い不純物濃度が１０１５／ｃｍ３〜１０１７／ｃｍ３、前記相対的に高い不純物濃度が前記相対的に低い不純物濃度より１０〜１０３高い、請求項１に記載のＳｉＣ光電極。
【請求項３】
ＳｉＣ単結晶基板上に相対的に低い不純物濃度の低不純物濃度ＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させ、次に、相対的に高い不純物濃度の高不純物濃度ＳｉＣ膜を形成し、さらに高不純物濃度ＳｉＣ上に金属電極を形成し、その後ＳｉＣ単結晶基板を除去する、ＳｉＣ光電極の製造方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載のＳｉＣ光電極を用いた水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光触媒用のシリコンカーバイド、特に光照射による水の分解に適したシリコンカーバイドに関する。
【背景技術】
【０００２】
光触媒による有機物分解あるいは水分解の技術は広く知られているところである。特にシリコンカーバイド（ＳｉＣ）等の半導体を用いて光照射による水の分解は太陽エネルギーを水素エネルギーに変換できるため、再生可能エネルギー生成技術として有望なものである。従来からこの用途に用いる半導体材料として酸化チタンなどが広く知られているところであるが、エネルギー変換効率が低いという課題がある。
【０００３】
それに対して本発明者らはＳｉＣをこの光照射による水分解技術に用いるという提案をしており、それは特許文献１に記載の多結晶ＳｉＣではなく、非特許文献１および非特許文献２に記載の単結晶ＳｉＣを用いるという提案である。理論的には単結晶ＳｉＣにより５％以上のエネルギー変換効率（以下、単に「変換効率」ということがある。）が期待できるものの、非特許文献１では０．１７％という変換効率が報告されている。一方、本発明者らは非特許文献２にて報告した単結晶ＳｉＣのエネルギー変換効率は０．３８％であり、理論値とは未だ大きな差異があるのが現状である。その理由の一つとして、光電流がＳｉＣ光電極と金属電極との界面での電気抵抗により制限されている点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１２−５０５９６２
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“Photoelectrolysis of water to hydrogen in p-SiC/Pt and p-SiC/n-TiO2 cells”        J. Akikusa and S. U. M. Khan, Int. J. Hydrogen Energy 27 (2002) 863.
【非特許文献２】“SiC photoelectrodes for a self-driven water-splitting cell”        T. Yasuda, M. Kato, M. Ichimura, and T. Hatayama, Appl. Phys. Lett. 101, 53902 (2012).
【非特許文献３】“Solar-to-Hydrogen Conversion Efficiency of Water Photolysis with Epitaxially Grown p-Type SiC “         T. Yasuda, M. Kato, M. Ichimura, and T. Hatayama, Mater. Sci. Forum 740, 859 (2013).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、ＳｉＣを用いた光照射による水分解のエネルギー変換効率を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、低い不純物濃度のＳｉＣを光電極として、ＳｉＣ光電極と金属電極との間の電気抵抗を下げる方策を検討した結果、上記課題を解決しうることを見出した。すなわち、本発明によれば、ＳｉＣを用いた光照射による水分解のエネルギー変換効率を向上する構造を提供する。
【０００８】
［１］相対的に低い不純物濃度を有するＳｉＣからなる光電極と、当該光電極とオーミック接触となる金属電極と、前記光電極と前記金属電極との間に相対的に高い不純物濃度を有するＳｉＣとを含むＳｉＣ光電極。
【０００９】
［２］前記相対的に低い不純物濃度が１０１５／ｃｍ３〜１０１７／ｃｍ３、前記相対的に高い不純物濃度が前記相対的に低い不純物濃度より１０〜１０３高い、前記［１］に記載のＳｉＣ光電極。
【００１０】
［３］ＳｉＣ単結晶基板上に相対的に低い不純物濃度の低不純物濃度ＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させ、次に、相対的に高い不純物濃度の高不純物濃度ＳｉＣ膜を形成し、さらに高不純物濃度ＳｉＣ膜上に金属電極を形成し、その後ＳｉＣ単結晶基板を除去する、ＳｉＣ光電極の製造方法。
【００１１】
［４］前記［１］または［２］に記載のＳｉＣ光電極を用いた水素製造装置。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ＳｉＣ単結晶基板に相対的に低い不純物濃度のＳｉＣ膜および相対的に高い不純物濃度のＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させた後のＳｉＣエピタキシャル基板の不純物分布を示す図である。
【図２】ＳｉＣ単結晶基板に相対的に低い不純物濃度のＳｉＣ膜、相対的に高い不純物濃度のＳｉＣ膜、さらに金属電極を順次形成し、その後ＳｉＣ単結晶基板を除去して得られるＳｉＣ光電極を示す図である。
【図３】実施例１の二極式電気化学セル（ＳｉＣ光電極）による水素生成原理を示す図である。
【図４】実施例１の二極式電気化学セルの電極の詳細を示す図である。
【図５】実施例２のＳｉＣ光電極による水素生成原理を示す図である。
【図６】本発明のＳｉＣ光電極を用いた実施例１において、ＳｉＣ光電極を挟む２つの金属電極間の電流‐電圧特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００１４】
本発明に用いるＳｉＣは単結晶であることが好ましく、結晶形態としては４Ｈ‐ＳｉＣ、６Ｈ‐ＳｉＣ、３Ｃ‐ＳｉＣ等が好ましい。本発明のＳｉＣ光電極は、図１に示すように、相対的に低い不純物濃度を有するＳｉＣからなる光電極層と、当該光電極と対をなす金属電極と、前記光電極と前記金属電極との間に相対的に高い不純物濃度を有するＳｉＣ層とを含む構成が好ましい。前記相対的に低い不純物濃度が１０１５／ｃｍ３〜１０１７／ｃｍ３、前記相対的に高い不純物濃度が前記相対的に低い不純物濃度より１０〜１０３高いことが好ましい。不純物としてはＰ型ＳｉＣとするためにアルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）がドープされるか、あるいは、Ｎ型ＳｉＣとするためにリン（Ｐ）、窒素（Ｎ）がドープされるが、前者の方が製造上好ましい。相対的に低い不純物濃度を有するＳｉＣからなる光電極の厚みは１０〜１００μｍであることが好ましい。相対的に高い不純物濃度を有するＳｉＣ層の厚みは０．１〜２０μｍであることが好ましい。低不純物濃度ＳｉＣ層の形成はＭＯＣＶＤが好ましい。高不純物濃度ＳｉＣ層の形成はＭＯＣＶＤで行うが、低不純物濃度ＳｉＣあるいは不純物が実質的にないＳｉＣにイオンインプランテーションによりドープすることもできる。
【００１５】
本発明のＳｉＣ光電極は、図２に示すように、ＳｉＣ単結晶基板上に相対的に低い不純物濃度の低不純物濃度ＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させ、次に、相対的に高い不純物濃度の高不純物濃度ＳｉＣ膜を形成し、さらに高不純物濃度ＳｉＣ膜上に金属電極を形成し、その後ＳｉＣ単結晶基板を除去する製造方法が好ましい。
【００１６】
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定さ
れない。
【００１７】
（実施例１）
本発明の実施例１である、二極式電気化学セル（光電極）による水素生成原理を図３に示す。Ｎｉ板（７ｍｍ×７０ｍｍ×０．１ｍｍ厚）からなる対向電極２、ＳｉＣを含む作用電極３を導線４で接続し、双方の電極を１ｍｏｌ／ｌの硫酸からなる電解液５に浸漬した。なお、作用電極２は図４に示すように、不純物低濃度ＳｉＣ層と不純物高濃度ＳｉＣ層の２層膜９（７ｍｍ×７ｍｍ×０．０１５ｍｍ厚）に電極金属８（Ｎｉ、Ａｌ、およびＴｉ）を蒸着し１０００℃で熱処理した後、ＳｉＣの表面のみが露出するように、この双方を作用電極固定絶縁部材（ポリカーボネート）にエレクトロンワックスの接着剤７で固定した。そして、ＳｉＣ板の表面に光（発光源は太陽光と同じスペクロルを有するソーラシミュレータ（照射強度：１Ｗ／ｃｍ２））を照射して、水素生成に伴う電流値を測定したところ、ＳｉＣ層全体が低不純物濃度である場合に比して電流値が２〜３倍になった。なお、ＳｉＣ層と金属電極との界面の接触抵抗の低減効果を直接確認するために、ＳｉＣ層の両側に金属電極を形成して電流‐電圧特性を測定した結果を図６に示す。ＳｉＣ層全体が不純物低濃度である場合に比して、不純物低濃度ＳｉＣ層と不純物高濃度ＳｉＣ層の２層膜の場合は３〜５倍の電流値を示しており、不純物高濃度ＳｉＣ層を設ける効果が確認できた。
【００１８】
（実施例２）
実施例１では対向電極と作用電極を電解液中で分離させたが、ＳｉＣと直接接触させた金属を対向電極とすることにより、実施例１に比べて製作工程の簡略化を図ることができた。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
光触媒、特に光照射による水の分解に用いることができる。
【符号の説明】
【００２０】
１…電解液収納容器、２…対向電極、３…作用電極、４…導線、５…電解液、６…作用電極固定部材、７…接着剤、８…作用電極、９…ＳｉＣ、１１…電解液収納容器、１２…対向電極、１３…ＳｉＣ
【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】
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【図６】
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