광전기화학

광전기화학은 빛과 전기화학 ^[1][2]시스템의 상호작용에 관한 물리화학 분야의 하위 분야입니다.그것은 활발한 조사 영역이다.전기화학 분야의 선구자 중 한 명은 독일의 전기화학자인 하인츠 게리셔였다.이 영역에 대한 관심은 재생 에너지 전환 및 저장 기술 개발의 맥락에서 높다.

과거의 접근법

광전기화학은 70~80년대에 석유 파동이 최고조에 달했기 때문에 집중적으로 연구되었다.화석연료는 재생가능하지 않기 때문에 재생가능자원을 획득하고 청정에너지를 사용하기 위한 프로세스를 개발할 필요가 있다.인공 광합성, 광전기 화학 물 분할 및 재생 태양 전지는 이러한 맥락에서 특별한 관심을 끈다.알렉산더 에드먼드 베크렐에 의해 발견되었습니다.

H. 게리셔, H. 지류, AJ. 노직, AJ. 바드, A.후지시마 K혼다, 체육라이비니스, K. 라제샤르, TJ 마이어, PV. 카맛, N.S. 루이스, R. 메밍, JOM. 보크리스는 광전기화학 분야에 많은 기여를 한 연구자들이다.

반도체 전기화학

서론

반도체 재료는 에너지 밴드 갭을 가지며 광자의 에너지가 반도체의 밴드 갭 에너지보다 높으면 흡수된 광자별로 전자와 홀을 한 쌍씩 발생시킨다.이러한 반도체 재료의 특성은 태양광 발전 장치에 의해 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 데 성공적으로 사용되어 왔다.

광촉매에서 전자-공 쌍은 즉시 산화환원 반응을 유도하기 위해 사용됩니다.그러나 전자-공 쌍은 빠른 재결합으로 어려움을 겪는다.광전해석은 전자와 구멍의 재조합수를 감소시키기 위해 미분전위를 적용한다.이것은 빛이 화학 에너지로 변환되는 수율을 증가시킵니다.

반도체-전해질 인터페이스

반도체가 액체(레독스종)와 접촉할 때 산화환원종의 정식 산화환원 전위가 반도체 밴드갭 안에 있으면 반도체와 액체상 사이에 전하전달이 일어난다.열역학적 평형상태에서 반도체의 페르미레벨과 레독스종의 공식 레독스 전위는 반도체와 레독스종의 계면에서 정렬된다.이는 n형 반도체/액체 접합(그림1(a))용 n형 반도체 상방 밴드 벤딩과 p형 반도체/액체 접합(그림1(b))용 p형 반도체 하방 밴드 벤딩을 도입한다.반도체/액체 접합부의 특성은 정류 반도체/금속 접합부 또는 쇼트키 접합부와 유사합니다.반도체/액체 계면에서 양호한 정류 특성을 얻으려면 n형 반도체의 경우 정식 레독스 전위가 반도체의 원자가 대역에 가깝고 p형 반도체의 경우 반도체의 전도 대역에 가까워야 한다.반도체/액체 접합부는 빛이 반사 없이 반도체 표면으로 이동할 수 있다는 점에서 정류 반도체/금속 접합부에 비해 한 가지 이점이 있습니다. 반면 대부분의 빛은 반도체/금속 접합부에서 금속 표면에서 반사됩니다.따라서 반도체/액체 접합은 고체 p-n 접합 소자와 유사한 태양광 발전 소자로도 사용될 수 있다.n형과 p형 반도체/액체 접합부는 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 광전 소자로 사용될 수 있으며 광전기화학 셀이라고 불린다.또한 반도체/액체 접합부는 반도체/액체 접합부의 광전기 분해를 통해 태양 에너지를 화학 에너지로 직접 변환하는 데 사용될 수 있다.

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  그림 1(a) n형 반도체/액체 접합부의 밴드도

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  그림 1(b) p형 반도체/액체 접합부의 밴드도

실험 셋업

반도체는 보통 광전기화학 셀에서 연구된다.3개의 전극 장치에는 다양한 구성이 있습니다.WE와 기준전극 RE(포화칼로멜, Ag/AgCl) 사이에 차전위가 인가되는 동안 작동전극 WE에서 연구현상이 발생한다.전류는 WE와 대향 전극 CE(탄소 유리, 백금 거즈) 사이에서 측정됩니다.작동 전극은 반도체 재료이며 전해질은 용제, 전해질 및 산화환원 물질로 구성됩니다.

UV-vis 램프는 일반적으로 작동 전극을 조명하는 데 사용됩니다.광전자화학전지는 빛을 흡수하지 않기 때문에 보통 석영창으로 만들어진다.단색기를 사용하여 WE로 전송되는 파장을 제어할 수 있습니다.

광전기화학에 사용되는 주흡수제

반도체 IV

C(다이아몬드), Si, Ge, SiC, SiGe

반도체 III-V

BN, BP, BAs, AlN, AlP, AlAs, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs...

반도체 II-VI

CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, MoS₂, MoS₂, MoTe₂, WSe₂₂

금속 산화물

TiO₂, Fe₂O₃, Cu₂O

유기 염료

메틸렌 블루...

유기 금속 염료

페로브스카이트

적용들

광전기화학수분할

광전기화학은 물과 태양 에너지로부터 수소를 생산하는 분야에서 집중적으로 연구되어 왔다.물의 광전기화학적인 분열은 1972년 후지시마와 혼다가 TiO 전극으로₂ 역사적으로 발견했다.최근 많은 재료들이 물을 효율적으로 분할할 수 있는 유망한 특성을 보여주고 있지만₂, TiO는 저렴하고 풍부하며 광부식에 대해 안정적입니다.TiO의₂ 주요 문제는 결정성(아나타아제 또는 루틸)에 따라 3 또는 3.2 eV인 밴드갭이다.이 값은 너무 높아서 UV 영역의 파장만 흡수할 수 있습니다.이 물질의 성능을 높여 태양 파장으로 물을 분할하려면 TiO를₂ 감작시켜야 합니다.현재 Quantum Dots 감광은 매우 유망하지만 빛을 효율적으로 흡수할 수 있는 새로운 물질을 찾기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다.

이산화탄소 광전기화학 저감

광합성은 빛을 이용해 CO를 변환시켜₂ 설탕과 같은 탄화수소 화합물을 만드는 자연스러운 과정이다.화석연료의 고갈은 과학자들이 탄화수소 화합물을 생산할 대안을 찾도록 장려한다.인공 광합성은 그러한 화합물을 생성하기 위해 자연 광합성을 모방하는 유망한 방법이다.CO의₂ 광전기화학적 감소는 전세계적으로 영향을 미치기 때문에 많은 연구가 이루어지고 있다.많은 연구자들이 안정적이고 효율적인 광음극과 광음극을 개발하기 위한 새로운 반도체를 찾는 것을 목표로 하고 있다.

재생전지 또는 색소증감형 태양전지(그레이첼전지)

염료감응형 태양전지 또는 DSSC는 빛을 흡수하기 위해 TiO와 염료를 사용한다₂.이러한 흡수는 산화⁻ 및 환원하는 데 사용되는 전자-공 쌍(일반적으로 I/I₃⁻)의 형성을 유도한다.그 결과 전류를 유도하는 미분전위가 생성된다.

레퍼런스

외부 링크

• 반도체 광전기화학에 대한 전체 검토
• 반도체 광전기화학 리뷰
• 미국 의회 도서관 웹 아카이브의 전기화학 백과사전(2001-11-25)
• IUPAC