[发明专利]光半导体的制造方法、光半导体和制氢装置

说明书

技术领域

本公开涉及光半导体的制造方法、光半导体和制氢装置。

背景技术

通过向光半导体照射光，在该光半导体中产生电子-空穴对。光半导体，能够应用于获取在该电子-空穴对复合(再结合)时产生的光的LED和激光器、将所述电子-空穴对在空间上分离从而作为电能获取光电动势的太阳能电池、或者由水和太阳光直接制造氢的光催化剂等用途，非常有前途。作为吸收或放出的光在紫外～可见光域的光半导体的一群，有氧化物、氮氧化物以及氮化物。特别是作为被用于光催化剂用途的光半导体，代表性地使用了氧化钛(TiO₂)、氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)。具备这样的光半导体的以往的半导体电极，存在由太阳光照射引起的水的分解反应中的氢生成效率低这一问题。这是由于TiO₂等半导体材料能吸收的光的波长短，只能吸收约400nm以下的波长的光，因此能利用的光在全部太阳光中所占的比例非常少，在采用TiO₂的情况下约为4.7％。进而，如果连所吸收的光之中的由原理上的热损失导致的损失都考虑的话，则该太阳光的利用效率约为1.7％。

因此，以由太阳光照射引起的水的分解反应中的氢生成效率的提高为目的，正在寻求能够提高能利用的光在全部太阳光中所占的比例、即能够吸收波长更长的可见光域的光的光半导体材料。

针对这样的期望，曾提出以吸收波长更长的可见光、提高太阳光的利用效率为目的的光半导体材料。例如，在专利文献1中，作为能够吸收可见光的半导体材料，公开了由用组成式NbON表示的铌氮氧化物的光催化剂，并报告了该铌氮氧化物能够吸收波长为560nm以下的光。这显示出铌氮氧化物是能够利用的光的比例相当于全部太阳光之中的28％，在考虑了热损失的情况下太阳能转换效率能够达到13％。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5165155号公报

非专利文献1：Moussab Harb et.al.,“Tuning the properties of visible-light-responsive tantalum(oxy)nitride photocatalysts by nonstoichiometric compositions:a first-principles viewpoint”,Physical Chemistry Chemical Physics,2014,Volume 16,Issue 38,20548-20560

非专利文献2：Roger Marchand et.al.,“Nitrides and oxynitrides:Preparation,crystal chemistry and properties”,Journal of the European Ceramic Society,Volume 8,Issue 4(1991),Pages 197-213

非专利文献3：Francis J DiSalvo et.al.“Ternary nitrides:a rapidly growing class of new materials”Current Opinion in Solid State&Materials Science 1996,1,241-249

发明内容

如上所述，为了以提高水的分解反应中氢生成效率为目的而提高能够利用的光在全部太阳光中所占的比例，利用氮氧化物或氮化物的光半导体是一种解决对策。具体而言，氮氧化物以及氮化物的光半导体的价电子带(价带)，由N2p轨道能级构成，N2p轨道能级比O2p轨道更接近水的氧化能级，即与氧化物光半导体的由O2p轨道构成的价电子带相比位于能级更高的位置。因此，氮氧化物以及氮化物的光半导体能够缩小带隙的宽度，即，能够扩大与光反应的波段，能够提高光电流值。

氮氧化物以及氮化物的光半导体，例如以金属氧化物为起始原料来制造。作为以金属氧化物为起始原料的氮氧化物以及氮化物的以往的制造方法，一般是使用氨气的还原氮化合成反应(非专利文献1)。

但是，通过使用氨气的还原氮化合成反应而由金属氧化物制造氮氧化物以及氮化物的光半导体的以往的方法，在复杂程度、生产能力和安全性方面存在课题。

因此，本公开的目的是提供一种光半导体的制造方法，该制造方法与以往的制造方法相比，能够安全、简便且生产能力良好地制造含有过渡金属和氮元素的光半导体。