Một tế bào quang điện hóa có cấu tạo gồm dung dịch điện phân có chứa hai điện cực quang điện cực dương và điện cực âm được nối với nhau bằng một mạch điện ngoài, trong đó ít nhất một điện cực phải là chất bán dẫn. Điện cực là chất bán dẫn còn được gọi là điện cực hoạt động (WE: working electrode) (hình 1.8a). Trong tế bào quang điện hóa thông thường sử dụng một điện cực là chất bán dẫn thì bán dẫn loại n được thiết lập là điện cực quang điện cực dương (anot) trong khi đó bán dẫn loại p được thiết lập là điện cực quang điện cực âm (catot), còn kim loại Pt được sử dụng cho điện cực còn lại, hay còn gọi là điện cực đếm (CE: counter electrode). Ngoài ra, trong hệ sử dụng đồng thời cả hai điện cực là chất bán dẫn hay còn gọi là tế bào tandem, bán dẫn loại n và loại p được sử dụng làm các điện cực quang điện cực dương (anot) và điện cực âm (catot) tương ứng.
Hình 1.8b mô tả sơ đồ nguyên lý của một tế bào PEC sử dụng chất bán dẫn làm điện cực quang dưới sự chiếu sáng.
Hình 1.8. (a) Mô hình của tế bào PEC tách nƣớc [43], (b) Sơ đồ nguyên lý của một tế bào PEC sử dụng chất bán dẫn làm điện cực quang dƣới sự chiếu sáng (các quá trình
chính: (I) hấp thụ ánh sáng; (II) chia tách và vận chuyển điện tử; (III) phản ứng oxi hoá khử bề mặt) [44].
Dưới sự chiếu xạ của ánh sáng có năng lượng tương đương hoặc lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn, điện tử trong vùng hóa trị bị kích thích và nhảy lên vùng dẫn, để lại lỗ trống trong vùng hóa trị. Các điện tử và lỗ trống sinh ra này sẽ tham gia vào các phản ứng khử và oxi hóa tương ứng. Chẳng hạn, trong hệ sử dụng bán dẫn loại n làm điện cực quang điện cực dương, sự hình thành lớp nghèo hạt tải tại bề mặt tiếp xúc giữa chất bán dẫn và dung
a)
dịch điện phân làm uốn cong mức năng lượng của chất bán dẫn. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc chia tách các điện tử và lỗ trống sinh ra từ sự chiếu sáng. Khi đó điện tử di chuyển theo mạch ngoài đến điện cực đếm, tham gia vào phản ứng khử nước để tạo thành khí hydro:
2
2H 2eLightH (1.16) Trong khi đó, lỗ trống tích lũy trên bề mặt của chất bán dẫn và tham gia vào phản ứng với phân tử nước để tạo thành khí oxi:
2 2 1 2 2 2 Light H O h H O (1.17)