專利名稱：氫氣制造裝置及氫氣制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氫氣制造裝置及氫氣制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，從抑制化石燃料資源的枯竭及地球溫暖化氣體的排出等角度來看，希望利用可再生能源。作為可再生能源，涉及太陽光、水力、風(fēng)力、地?zé)帷⒊毕?、生物量等多個(gè)方面，其中，太陽光的可利用能量較大，并且相對(duì)于其他可再生能源而言地理性制約較少，因此，希望高效地從太陽光產(chǎn)出可利用能量的技術(shù)的早期開發(fā)和普及。作為從太陽光產(chǎn)生的可利用能量的形態(tài)，列舉利用太陽能電池、太陽光熱渦輪機(jī)制造的電能、通過將太陽能聚集到熱介質(zhì)而成的熱能、以及通過利用太陽光的物質(zhì)還原而得的液體燃料、氫氣等可貯藏燃料能源等。對(duì)于太陽能電池技術(shù)及太陽熱利用技術(shù)，已經(jīng)存在很多實(shí)用的技術(shù)，但是由于能量利用效率還較低、且產(chǎn)出電及熱時(shí)的成本依然較高，因而對(duì)其改善進(jìn)行技術(shù)開發(fā)。進(jìn)一步，這些電、熱等能量形態(tài)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)補(bǔ)充短期的能量變動(dòng)這樣的使用方法，但很難補(bǔ)充例如季節(jié)變動(dòng)等長(zhǎng)期的變動(dòng)；還可能因能量的增加而導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率下降。與此相對(duì)，液體燃料、氫氣等以物質(zhì)來儲(chǔ)存能量的情況，作為高效地補(bǔ)充長(zhǎng)期變動(dòng)并提高發(fā)電設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率的技術(shù)非常有效，是今后最大限度地提高能源利用效率、盡量減少二氧化碳的排出量所不可缺少的技術(shù)。作為可貯藏 的燃料的形態(tài)，大致可分為碳?xì)浠衔锏纫后w燃料、生物氣、氫氣等氣體燃料、利用來自生物量的木質(zhì)顆粒(wood pellet)、利用太陽光還原的金屬等固體燃料等。從基礎(chǔ)設(shè)施配備的容易程度、能量密度的角度來看首選液體燃料，從提高與燃料電池等的總利用效率的角度來看首選以氫氣為首的氣體燃料，從可貯藏性和能量密度的角度來看首選固體燃料，各形態(tài)各有優(yōu)缺點(diǎn)，但從能夠利用可以容易地獲得的水作為原料的角度來看，利用太陽光分解水的氫氣制造技術(shù)特別引人注目。作為以水為原料并利用太陽能制造氫氣的方法，可列舉如下方法等:光分解法，在氧化鈦等光催化劑中承載鉬，將該物質(zhì)放入水中并照射光，從而在半導(dǎo)體中進(jìn)行電荷分離，還原電解液中的質(zhì)子，氧化水；熱分解法，利用高溫氣體爐等的熱能在高溫下直接分解水、或與金屬等的氧化還原結(jié)合而間接地分解水；利用藻類等利用光而進(jìn)行的微生物的代謝的生物法；水電分解法，將太陽能電池發(fā)出的電與電解水的氫氣制造裝置組合；以及光伏法，通過在太陽能電池所使用的光電轉(zhuǎn)換材料中承載氫氣生成催化劑、氧氣生成催化劑，使由光電轉(zhuǎn)換而得的電子與空穴通過氫氣生成催化劑、氧氣生成催化劑而用于反應(yīng)。其中，存在通過使光電轉(zhuǎn)換部與氫氣生成部一體化而制造小型的氫氣制造裝置的可能性的是光分解法、生物法及光伏法，但從太陽能的變換效率的角度來看，光伏法為最接近實(shí)用化的技術(shù)之
O目前為止，公開了基于光分解法、光伏法的使光電轉(zhuǎn)換與氫氣生成一體化的氫氣制造裝置的例。光分解法中，例如根據(jù)專利文獻(xiàn)1，公開了利用吸附有釕絡(luò)合物的氧化鈦的光催化劑電極和鉬電極、碘或鐵的氧化還原的裝置。另外，根據(jù)專利文獻(xiàn)2，采用如下結(jié)構(gòu):串聯(lián)連接兩層光催化劑，連接鉬對(duì)電極，并在之間夾著離子交換膜而一體化。另一方面，光伏法中，發(fā)表了使光電轉(zhuǎn)換部與氫氣生成部、氧氣生成部一體化的氫氣制造裝置的理念(非專利文獻(xiàn)I)。由此，光電轉(zhuǎn)換部、氫氣生成及氧氣生成使用各自對(duì)應(yīng)的催化劑來進(jìn)行電荷分離。光電轉(zhuǎn)換部使用太陽能電池所利用的材料。例如，在非專利文獻(xiàn)2的情況下，在通過三層的硅p-1-n層進(jìn)行電荷分離的基礎(chǔ)上，利用鉬催化劑生成氫氣，利用氧化釕生成氧氣。另外，專利文獻(xiàn)3、非專利文獻(xiàn)3在此基礎(chǔ)上，將氫氣生成催化劑(NiFeO)與三層的硅p-1-n并列地層疊,再在娃層上承載氧氣生成催化劑(Co-Mo),從而制造一體化氫氣制造裝置?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I JP特開2006-89336號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 JP特表2004-504934號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3 JP特開2003-288955號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)4 JP特開2004-197167號(hào)公報(bào)非專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)I !Proceedings of the National Academy of Sciences of theUnited States of America, 2006 年，43 卷，15729-15735 頁非專利文獻(xiàn)2:Applied Physics Letters, 1989 年，55 卷，386-387 頁非專利文獻(xiàn) 3:1nternational Journal of Hydrogen Energy, 2003 年，28卷，1167-1169 頁

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題如上所述，已經(jīng)公開了關(guān)于使光電轉(zhuǎn)換和氫氣生成一體化的氫氣制造裝置的結(jié)構(gòu)的幾個(gè)研究，但為了以更高效率制造氫氣，需要最大限度地提高光的利用率。例如，當(dāng)在裝置內(nèi)的受光表面生成氣體時(shí)，會(huì)因生成的氣體而導(dǎo)致入射光發(fā)生散射，因而存在無法充分利用入射光、導(dǎo)致光利用效率下降的重大問題。進(jìn)一步，當(dāng)在光電轉(zhuǎn)換部的受光面上承載催化劑時(shí)，因催化劑而使入射光被反射或吸收，由此，存在光利用率下降的問題。另外，為了不引起光的散射，也研究了利用電極膜將光電轉(zhuǎn)換部的受光面和氧氣催化劑電連接的方法，但從結(jié)構(gòu)上來看，光電轉(zhuǎn)換部的面積受到其他部件(氧氣生成催化劑等)的面積的限制，因此，存在難以避免光利用率的下降的問題。本發(fā)明鑒于上述情況，提供一種光利用效率較高、能夠以高效率制造氫氣的氫氣制造裝置。用于解決課題的手段本發(fā)明提供一種氫氣制造裝置，其特征在于，具備:具有受光面及背面的光電轉(zhuǎn)換部；和在上述背面上分別設(shè)置的第I電解用電極及第2電解用電極，上述光電轉(zhuǎn)換部通過受光而在上述背面的第I及第2區(qū)域之間產(chǎn)生電位差，第I區(qū)域與第I電解用電極電連接，第2區(qū)域與第2電解用電極電連接，當(dāng)?shù)贗及第2電解用電極與電解液接觸時(shí)，第I電解用電極形成利用由上述光電轉(zhuǎn)換部通過受光而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)從電解液生成H2的氫氣生成部，第2電解用電極形成利用上述電動(dòng)勢(shì)從電解液生成O2的氧氣生成部。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，通過使光入射到光電轉(zhuǎn)換部的受光面，能夠在光電轉(zhuǎn)換部的背面的第I及第2區(qū)域之間產(chǎn)生電位差。由此，能夠在與第I區(qū)域電連接的第I電解用電極和與第2區(qū)域電連接的第2電解用電極之間也產(chǎn)生電位差。通過使該產(chǎn)生電位差的第I電解用電極和第2電解用電極與電解液接觸，能夠在第I電解用電極和第2電解用電極中的任意一方從電解液生成H2,能夠在另一方從電解液生成02。通過回收所生成的H2來制造氫氣。根據(jù)本發(fā)明，由于在光電轉(zhuǎn)換部的背面上形成氫氣生成部及氧氣生成部，因而能夠使光不經(jīng)由電解液而入射到受光面，從而能夠防止因電解液而導(dǎo)致的入射光的吸收、入射光的散射。由此，能夠增加入射到光電轉(zhuǎn)換部的光的量，能夠提高光利用效率。另外，根據(jù)本發(fā)明，由于在光電轉(zhuǎn)換部的背面上形成氫氣生成部及氧氣生成部，因而入射到受光面的光不會(huì)因氫氣生成部、氧氣生成部以及分別在氫氣生成部和氧氣生成部生成的氫氣及氧氣而被吸收、散射。由此，能夠增加入射到光電轉(zhuǎn)換部的光的量，能夠提高光利用效率。根據(jù)本發(fā)明，由于在光電轉(zhuǎn)換部的背面上形成氫氣生成部及氧氣生成部，因而能夠在氫氣制造裝置受光的面的大部分上設(shè)置光電轉(zhuǎn)換部的受光面。由此，能夠進(jìn)一步提高光利用效率。根據(jù)本發(fā)明，由于在同一裝置中設(shè)置光電轉(zhuǎn)換部、氫氣生成部及氧氣生成部，因而與現(xiàn)有的將太陽能電池和水的電解裝置進(jìn)行組合相比，能夠進(jìn)一步降低氫氣制造成本。根據(jù)本發(fā)明，由于 光電轉(zhuǎn)換部通過受光而在背面的第I及第2區(qū)域之間產(chǎn)生電位差，因而易于將第I及第2區(qū)域與設(shè)置于光電轉(zhuǎn)換部的背面上的第I電解用電極及第2電解用電極電連接，能夠降低制造成本。另外，當(dāng)光電轉(zhuǎn)換部通過受光而在受光面和背面之間產(chǎn)生電位差時(shí)，會(huì)認(rèn)為由于將受光面與第I電解用電極或第2電解用電極電連接，因而光電轉(zhuǎn)換部的受光面減少，但在本發(fā)明中，由于在光電轉(zhuǎn)換部的背面的兩個(gè)區(qū)域之間產(chǎn)生電位差，因而能夠進(jìn)一步擴(kuò)大光電轉(zhuǎn)換部的受光面，能夠增加受光量。進(jìn)一步，由于能夠縮短光電轉(zhuǎn)換部與第I電解用電極或第2電解用電極之間的導(dǎo)電距離，因此，能夠進(jìn)一步減小內(nèi)部電阻。


圖1是表示本發(fā)明的一種實(shí)施方式的氫氣制造裝置的結(jié)構(gòu)的概略俯視圖。圖2是圖1的虛線A-A的概略剖視圖。圖3是表示本發(fā)明的一種實(shí)施方式的氫氣制造裝置的結(jié)構(gòu)的概略背面圖。圖4是表示本發(fā)明的一種實(shí)施方式的氫氣制造裝置的結(jié)構(gòu)的概略剖視圖。圖5是表示本發(fā)明的一種實(shí)施方式的氫氣制造裝置的結(jié)構(gòu)的概略剖視圖。圖6是表示本發(fā)明的一種實(shí)施方式的氫氣制造裝置的結(jié)構(gòu)的概略俯視圖。圖7是圖6的虛線B-B的概略剖視圖。圖8是表示本發(fā)明的一種實(shí)施方式的氫氣制造裝置的結(jié)構(gòu)的概略剖視圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的氫氣制造裝置的特征在于，具備:具有受光面及背面的光電轉(zhuǎn)換部；和在上述背面上分別設(shè)置的第I電解用電極及第2電解用電極，上述光電轉(zhuǎn)換部通過受光而在上述背面的第I及第2區(qū)域之間產(chǎn)生電位差，第I區(qū)域與第I電解用電極電連接，第2區(qū)域與第2電解用電極電連接，當(dāng)?shù)贗及第2電解用電極與電解液接觸時(shí)，第I電解用電極形成利用由上述光電轉(zhuǎn)換部通過受光而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)從電解液生成H2的氫氣生成部，第2電解用電極形成利用上述電動(dòng)勢(shì)從電解液生成O2的氧氣生成部。氫氣制造裝置是指，能夠從包含水的電解液制造氫氣的裝置。光電轉(zhuǎn)換部是指，接收光從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的部分。受光面是指，光入射的光電轉(zhuǎn)換部的面。背面是指，受光面的背側(cè)的面。本發(fā)明的氫氣制造裝置優(yōu)選，上述光電轉(zhuǎn)換部由具有η型半導(dǎo)體部及P型半導(dǎo)體部的至少一個(gè)半導(dǎo)體材料構(gòu)成，第I及第2區(qū)域中，一方為上述η型半導(dǎo)體部的一部分，另一方為上述P型半導(dǎo)體部的一部分。根據(jù)此種結(jié)構(gòu),能夠在光電轉(zhuǎn)換部形成pn結(jié)、pin結(jié)、npp+結(jié)或pnn+結(jié),光電轉(zhuǎn)換部通過受光，能夠在光電轉(zhuǎn)換部的背面的第I及第2區(qū)域之間產(chǎn)生電位差。本發(fā)明的氫氣制造裝置優(yōu)選，還具備在上述光電轉(zhuǎn)換部的背面和第I電解用電極之間的一部分以及上述背面和第2電解用電極之間的一部分設(shè)置的絕緣部，第I電解用電極及第2電解用電極分別經(jīng)由未設(shè)置上述絕緣部的第I及第2區(qū)域，與上述η型半導(dǎo)體部或上述P型半導(dǎo)體部電連接。根據(jù)此種結(jié)構(gòu)，能夠有效地分離光電轉(zhuǎn)換部通過受光而形成的電子及空穴，能夠進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的氫氣制造裝置優(yōu)選，還具備:第I導(dǎo)電部，設(shè)置于上述絕緣部和第I電解用電極之間，并經(jīng)由第I區(qū)域與上述η型半導(dǎo)體部或上述P型半導(dǎo)體部電連接；和第2導(dǎo)電部，設(shè)置于上述絕緣部和第2電解用電極之間，并經(jīng)由第2區(qū)域與上述η型半導(dǎo)體部或上述P型半導(dǎo)體部電連接。根據(jù)此種結(jié)構(gòu)，能夠縮小將光電轉(zhuǎn)換部通過受光而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)輸出到第I電解用電極和第2電解用電極時(shí)的內(nèi)部電阻。本發(fā)明的氫氣制造裝置優(yōu)選，上述光電轉(zhuǎn)換部具有多個(gè)pin結(jié)、pn結(jié)、npp+結(jié)或pnn+結(jié),多個(gè)pin結(jié)、多個(gè)pn結(jié)、多個(gè)npp+結(jié)或多個(gè)pnn+結(jié)串聯(lián)連接,并將通過受光而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)供給到第I電解用電極及第2電解用電極。根據(jù)此種結(jié)構(gòu)，光電轉(zhuǎn)換部通過受光，能夠產(chǎn)生分解水所需的電動(dòng)勢(shì)。本發(fā)明的氫氣制造裝置優(yōu)選,上述光電轉(zhuǎn)換部包括多個(gè)具有pin結(jié)、pn結(jié)、npp+結(jié)或pnn+結(jié)的半導(dǎo)體基板。根據(jù)此種結(jié)構(gòu)，通過使多個(gè)半導(dǎo)體基板串聯(lián)連接，能夠形成具有串聯(lián)連接的pin結(jié)等的光電轉(zhuǎn)換部。

本發(fā)明的氫氣制造裝置優(yōu)選，上述氫氣生成部及上述氧氣生成部分別包含從電解液生成H2的反應(yīng)的催化劑及從電解液生成O2的反應(yīng)的催化劑。根據(jù)此種結(jié)構(gòu)，能夠增加氫氣生成部的從電解液生成H2的反應(yīng)的反應(yīng)速度，并能夠增加氧氣生成部的從電解液生成O2的反應(yīng)的反應(yīng)速度。由此，通過在光電轉(zhuǎn)換部生成的電動(dòng)勢(shì)，能夠更高效地制造H2,從而能夠提高光的利用效率。本發(fā)明的氫氣制造裝置優(yōu)選，上述氫氣生成部及上述氧氣生成部中的至少一方，具有比上述受光面的面積大的催化劑表面積。根據(jù)此種結(jié)構(gòu)，通過在光電轉(zhuǎn)換部產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，能夠更高效地生成氫氣或氧氣。本發(fā)明的氫氣制造裝置優(yōu)選，上述氫氣生成部及上述氧氣生成部中的至少一方是承載有催化劑的多孔性導(dǎo)電體。根據(jù)此種結(jié)構(gòu)，能夠增大第I電解用電極及第2電解用電極中的至少一方的催化劑表面積，從而能夠更高效地生成氧氣或氫氣。另外，通過使用多孔性導(dǎo)電體，能夠抑制因光電轉(zhuǎn)換部與催化劑之間的電流流動(dòng)而 引起的電位的變化，能夠更高效地生成氫氣或氧氣。本發(fā)明的氫氣制造裝置優(yōu)選，上述氫氣生成部作為氫氣生成催化劑含有Pt、Ir、Ru、Pd、Rh、Au、Fe、Ni 及 Se 中的至少一個(gè)。根據(jù)此種結(jié)構(gòu)，通過在光電轉(zhuǎn)換部產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，能夠以更快的反應(yīng)速度生成氫氣。本發(fā)明的氫氣制造裝置優(yōu)選，上述氧氣生成部作為氧氣生成催化劑含有Mn、Ca、Zn、Co及Ir中的至少一個(gè)。根據(jù)此種結(jié)構(gòu)，利用由光電轉(zhuǎn)換部產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，能夠以更快的反應(yīng)速度生成氧氣。本發(fā)明的氫氣制造裝置優(yōu)選，上述光電轉(zhuǎn)換部設(shè)置于具有透光性的基板上，在第I電解用電極及第2電解用電極之上還設(shè)置有與上述基板相對(duì)的頂板，在第I電解用電極及第2電解用電極與上述頂板之間設(shè)置有空間。根據(jù)此種結(jié)構(gòu)，能夠向第I電解用電極及第2電解用電極與上述頂板之間導(dǎo)入電解液，能夠在第I電解用電極及第2電解用電極中從電解液高效地生成H2及02。本發(fā)明的氫氣制造裝置優(yōu)選，還具備隔壁，該隔壁將第I電解用電極與上述頂板之間的空間及第2電解用電極與頂板之間的空間隔開。根據(jù)此種結(jié)構(gòu)，能夠分離分別在第I電解用電極及第2電解用電極生成的氫氣及氧氣，能夠更高效地回收氫氣。本發(fā)明的氫氣制造裝置優(yōu)選，上述隔壁包含離子交換體。根據(jù)此種結(jié)構(gòu)，能夠消除被導(dǎo)入第I電解用電極的上部的空間的電解液和被導(dǎo)入第2電解用電極的上部的空間的電解液之間的質(zhì)子濃度的不均衡，能夠穩(wěn)定地生成氫氣及氧氣。本發(fā)明的氫氣制造裝置優(yōu)選，上述光電轉(zhuǎn)換部由具有η型半導(dǎo)體部及P型半導(dǎo)體部的至少一個(gè)半導(dǎo)體基板構(gòu)成，上述η型半導(dǎo)體部是使η型雜質(zhì)從上述半導(dǎo)體基板的背面擴(kuò)散而成的部分或從上述半導(dǎo)體基板的背面離子注入η型雜質(zhì)而成的部分，上述P型半導(dǎo)體部是使P型雜質(zhì)從上述半導(dǎo)體基板的背面擴(kuò)散而成的部分或從上述半導(dǎo)體基板的背面離子注入P型雜質(zhì)而成的部分。根據(jù)此種結(jié)構(gòu)，能夠容易地形成光電轉(zhuǎn)換部，該光電轉(zhuǎn)換部具有η型半導(dǎo)體部及P型半導(dǎo)體部，通過受光在背面的第I及第2區(qū)域之間產(chǎn)生電位差。本發(fā)明的氫氣制造裝置優(yōu)選，上述光電轉(zhuǎn)換部為具有多個(gè)pin結(jié)、多個(gè)pn結(jié)、多個(gè)npp+結(jié)或多個(gè)pnn+結(jié)的至少一個(gè)半導(dǎo)體基板,各pin結(jié)、各pn結(jié)、各npp+結(jié)或各pnn+結(jié)通過溝槽隔離(trench isolation)而被分離。根據(jù)此種結(jié)構(gòu)，能夠形成具有串聯(lián)連接的pin結(jié)等的光電轉(zhuǎn)換部。另外，本發(fā)明也提供一種氫氣制造方法，將本發(fā)明的氫氣制造裝置設(shè)置為上述受光面相對(duì)于水平面傾斜，從上述氫氣制造裝置的下部向上述氫氣制造裝置導(dǎo)入電解液，并使太陽光入射到上述受光面，從而分別從上述氫氣生成部及上述氧氣生成部生成氫氣及氧氣，從上述氫氣制造裝置的上部排出氫氣及氧氣。根據(jù)本發(fā)明的氫氣制造方法，能夠利用太陽光而以低成本制造氫氣。下面，利用

本發(fā)明的一種實(shí)施方式。附圖、以下的記述中所示的結(jié)構(gòu)只是例示，本發(fā)明的范圍并不限定于附圖、以下的記述。氫氣制造裝置的結(jié)構(gòu)圖1表不本發(fā)明的一種實(shí)施方式的氫氣制造裝置的結(jié)構(gòu),是從光電轉(zhuǎn)換部的受光面?zhèn)瓤吹母怕愿┮晥D。圖2是圖1的虛線A-A的概略剖視圖。圖3表示本發(fā)明的一種實(shí)施方式的氫氣制造裝置的結(jié)構(gòu)，是從光電轉(zhuǎn)換部的背面?zhèn)瓤吹母怕员趁鎴D。本實(shí)施方式的氫氣制造裝置23的特征在于，具備具有受光面及背面的光電轉(zhuǎn)換部2、和在上述背面上分別設(shè)置的第I電解用電極8及第2電解用電極7，光電轉(zhuǎn)換部2通過受光而在上述背面的第I及第2區(qū)域之間產(chǎn)生電位差，第I區(qū)域與第I電解用電極8電連接，第2區(qū)域與第2電解用電極7電連接，當(dāng)?shù)贗及第2電解用電極與電解液接觸時(shí)，第I電解用電極8利用光電轉(zhuǎn)換部2通過受光而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，形成從電解液生成H2的氫氣生成部，第2電解用電極7利用上述電動(dòng)勢(shì)，形成從電解液生成O2的氧氣生成部。另外，本實(shí)施方式的氫氣制造裝置23可以具備基板1、絕緣部11、隔壁13、頂板
14、電解液流路15、密封件16、供水口 18、第I氣體排出口 20、第2氣體排出口 19及第I 第3導(dǎo)電部。下面，說明本實(shí)施方式的氫氣制造裝置。1.基板本實(shí)施方式的氫氣制造裝置23可以具備基板I。另外，可以將光電轉(zhuǎn)換部2以受光面位于基板I側(cè)的方式設(shè)置在透光性的基板I上。此外，在光電轉(zhuǎn)換部2由半導(dǎo)體基板等構(gòu)成而具有一定強(qiáng)度時(shí)，可省略基板I。另外，在光電轉(zhuǎn)換部2能夠形成于樹脂薄膜等具有柔軟性的材料上的情況下，可省略基板I。另外，基板I是能夠作為用于構(gòu)成本氫氣制造裝置的基臺(tái)的部件。另外，為了通過光電轉(zhuǎn)換部2的受光面接收太陽光，優(yōu)選透明且透光率高，但只要是能夠有效地向光電轉(zhuǎn)換部2入射光的結(jié)構(gòu)即可，透光率沒有限制。作為透光率高的基板材料，例如可應(yīng)用鈉玻璃、石英玻璃、〃 A V y -λ (Pyrex)(注冊(cè)商標(biāo))、合成石英板等透明的剛性材料、或透明樹脂板、薄膜材料等。根據(jù)具備化學(xué)及物理的穩(wěn)定性這一點(diǎn)，優(yōu)選使用玻璃基板?？梢栽诨錓的光電轉(zhuǎn)換部2側(cè)的表面形成微小的凹凸結(jié)構(gòu)，以使入射光在光電轉(zhuǎn)換部2的表面有效地漫反射。該微小的凹凸結(jié)構(gòu)例如可通過反應(yīng)性離子刻蝕(RIE)處理或噴砂處理等公知的方法形成。2.光電轉(zhuǎn)換部
光電轉(zhuǎn)換部2具有受光面及背面，在光電轉(zhuǎn)換部2的背面上設(shè)置有第I電解用電極8和第2電解用電極7。另外，光電轉(zhuǎn)換部2通過受光而在其背面的第I及第2區(qū)域之間產(chǎn)生電位差。此外，受光面是指接收用于光電轉(zhuǎn)換的光的面，背面是指受光面的背側(cè)的面。另外，可以在基板I上使受光面朝下地設(shè)置光電轉(zhuǎn)換部2。
光電轉(zhuǎn)換部2只要能夠通過入射光進(jìn)行電荷分離，并在背面的第I及第2區(qū)域之間產(chǎn)生電位差即可，并無特別限定，例如為使用硅類半導(dǎo)體的光電轉(zhuǎn)換部、使用化合物半導(dǎo)體的光電轉(zhuǎn)換部、使用有機(jī)半導(dǎo)體的光電轉(zhuǎn)換部等。作為形成在背面的第I及第2區(qū)域之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光電轉(zhuǎn)換部2的方法，列舉例如利用半導(dǎo)體晶片作為材料，以在半導(dǎo)體晶片的背面分別形成P型半導(dǎo)體部4的一部分及η型半導(dǎo)體部5的一部分的方式，形成P型半導(dǎo)體部4及η型半導(dǎo)體部5。若使光從這樣形成的光電轉(zhuǎn)換部2的受光面入射，則能夠在光電轉(zhuǎn)換部的背面的形成P型半導(dǎo)體部4的區(qū)域和形成η型半導(dǎo)體部5的區(qū)域之間產(chǎn)生電位差。此外，在本發(fā)明中，半導(dǎo)體基板包括對(duì)半導(dǎo)體晶片進(jìn)行加工而成的物體。若在半導(dǎo)體晶片上使P型半導(dǎo)體部4及η型半導(dǎo)體部5形成為彼此連接，則能夠在光電轉(zhuǎn)換部形成pn結(jié)。另外，若在由i型半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體晶片上使P型半導(dǎo)體部4及η型半導(dǎo)體部5形成為不彼此接觸，則能夠在光電轉(zhuǎn)換部形成pin結(jié)。另外，若使用P型半導(dǎo)體的半導(dǎo)體晶片，則能夠形成具有npp+結(jié)的光電轉(zhuǎn)換部2，若使用η型半導(dǎo)體的半導(dǎo)體晶片，則能夠形成具有Pnn+結(jié)的光電轉(zhuǎn)換部2?？梢匀鐖D2那樣，在半導(dǎo)體晶片上分別形成一個(gè)P型半導(dǎo)體部4及η型半導(dǎo)體部
5。另外，也可以如圖5那樣，在半導(dǎo)體晶片上分別形成多個(gè)P型半導(dǎo)體部4及η型半導(dǎo)體部5，也可以如圖7那樣，P型半導(dǎo)體部4及η型半導(dǎo)體部5中的任意一方為在半導(dǎo)體晶片上形成一個(gè)，另一方為在其兩側(cè)形成兩個(gè)。成為光電轉(zhuǎn)換部2的材料的半導(dǎo)體晶片只要形成有pn結(jié)、pin結(jié)、npp+結(jié)或pnn+結(jié)并能夠進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換即可，無特別限定，例如為硅晶片。另外，半導(dǎo)體晶片可以使用單晶，也可以使用多晶。形成P型半導(dǎo)體部4及η型半導(dǎo)體部5的方法并無特別限定，列舉例如使P型雜質(zhì)及η型雜質(zhì)分別在半導(dǎo)體晶片上熱擴(kuò)散的方法、或?qū)型雜質(zhì)及η型雜質(zhì)分別離子注入到半導(dǎo)體晶片的方法。通過這些方法，使P型雜質(zhì)及η型雜質(zhì)從半導(dǎo)體晶片的一側(cè)的面熱擴(kuò)散或離子注入，從而能夠形成P型半導(dǎo)體部4及η型半導(dǎo)體部5，能夠在光電轉(zhuǎn)換部2的背面分別形成P型半導(dǎo)體部4的一部分及η型半導(dǎo)體部5的一部分。光電轉(zhuǎn)換部2為了將通過受光而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)輸出到氫氣生成部及氧氣生成部來分解水，需要使用產(chǎn)生分別在氫氣生成部及氧氣生成部生成氫氣和氧氣所需的電動(dòng)勢(shì)的材料。氫氣生成部和氧氣生成部的電位差需要大于用于分解水的理論電壓(1.23V)，因此需要由光電轉(zhuǎn)換部2產(chǎn)生足夠大的電位差。因此，光電轉(zhuǎn)換部2優(yōu)選串聯(lián)連接兩結(jié)以上的pn結(jié)等產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的部分。光電轉(zhuǎn)換部2可具有串聯(lián)連接的多個(gè)pin結(jié)、多個(gè)pn結(jié)、多個(gè)npp+結(jié)或多個(gè)pnn+結(jié)。由此，能夠增大光電轉(zhuǎn)換部2通過受光而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，能夠?qū)⒎纸馑璧碾妱?dòng)勢(shì)輸出到第I電解用電極8及第2電解用電極7。形成具有串聯(lián)連接的多個(gè)pin結(jié)等的光電轉(zhuǎn)換部2的方法并無特別限定，例如可以如圖4、8那樣，通過并聯(lián)設(shè)置形成P型半導(dǎo)體部4及η型半導(dǎo)體部5的半導(dǎo)體晶片，并由第3導(dǎo)電部29連接相鄰的半導(dǎo)體晶片來形成。另外，也可以如圖5那樣，通過形成由溝槽隔離26劃分半導(dǎo)體晶片而得的多個(gè)部分，在各部分形成P型半導(dǎo)體部4及η型半導(dǎo)體部5后，由第3導(dǎo)電部29連接各部分來形成。在此，說明了利用半導(dǎo)體晶片形成的光電轉(zhuǎn)換部2，但光電轉(zhuǎn)換部2只要在背面的兩個(gè)區(qū)域之間產(chǎn)生電位差即可，也可以使用半導(dǎo)體薄膜、有機(jī)半導(dǎo)體等。3.絕緣部可以在光電轉(zhuǎn)換部2的背面和第I電解用電極8之間的一部分、及光電轉(zhuǎn)換部2的背面和第2電解用電極7之間的一部分設(shè)置絕緣部11。由此，能夠使與第I電解用電極8電連接的光電轉(zhuǎn)換部2的背面的第I區(qū)域和與第2電解用電極7電連接的光電轉(zhuǎn)換部2的背面的第2區(qū)域的間距變寬，從而能夠提高光電轉(zhuǎn)換部2的光電轉(zhuǎn)換效率。另外，在光電轉(zhuǎn)換部2具有串聯(lián)連接的pin結(jié)等的情況下，通過設(shè)置絕緣部11，能夠防止漏電流的產(chǎn)生。不在與第I電解用電極8電連接的光電轉(zhuǎn)換部2的背面的第I區(qū)域上、及與第2電解用電極7電連接的光電轉(zhuǎn)換部2的背面的第2區(qū)域上形成絕緣部11。由此，能夠在第I區(qū)域上形成第I電解用電極8，在第2區(qū)域上形成第2電解用電極7，能夠經(jīng)由第I或第2區(qū)域?qū)型半導(dǎo)體部4或η型半導(dǎo)體部5與第I電解用電極8或第2電解用電極7電連接。例如可以如圖2、5、8那樣，在作為P型半導(dǎo)體部4 一部分的光電轉(zhuǎn)換部2的背面的第2區(qū)域上、及作為η型半導(dǎo)體部5 —部分的光電轉(zhuǎn)換部2的背面的第I區(qū)域上分別設(shè)置絕緣部11的開口，在第I區(qū)域上的開口中和絕緣部11上設(shè)置第I電解用電極8，在第2區(qū)域上的開口中和絕緣部11上設(shè)置第2電解用電極7。另外，可以在第I電解用電極8的光電轉(zhuǎn)換部側(cè)以與第I電解用電極8接觸的方式設(shè)置第I導(dǎo)電部27，也可以在第2電解用電極7的光電轉(zhuǎn)換部側(cè)以與第2電解用電極7接觸的方式設(shè)置第2導(dǎo)電部28。例如可以如圖4、7那樣，在第I區(qū)域上的絕緣部11的開口的內(nèi)壁與第I電解用電極8之間、及絕緣部11與第I電解用電極8之間設(shè)置第I導(dǎo)電部27，在第2區(qū)域上的絕緣部11的開口的內(nèi)壁與第2電解用電極7之間、及絕緣部11與第2電解用電極7之間設(shè)置第2導(dǎo)電部28。第I導(dǎo)電部27及第2導(dǎo)電部28可使用導(dǎo)電率高的材料，在將光電轉(zhuǎn)換部2通過受光而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)輸出到第I電解用電極8及第2電解用電極7時(shí)，能夠降低內(nèi)部電阻。第I導(dǎo)電部27或第2導(dǎo)電部28只要具有導(dǎo)電性即可，無特別限定，例如為金屬薄膜，另外，例如為Al、Ag、Au等的薄膜。其例如可通過濺射法等形成。另外，例如為In-Zn-O(IZO)、In-Sn-O(ITO)、ZnO-Al、Zn-Sn-O、SnO2 等透明導(dǎo)電膜。作為絕緣部11，可以使用有機(jī)材料、無機(jī)材料，例如，可以使用如下制膜方法:將聚酰胺、聚酰亞胺、聚亞芳基、芳香族乙烯基化合物、氟類聚合物、丙烯酸類聚合物、乙烯基酰胺類聚合物等有機(jī)聚合物、以及作為無機(jī)類材料的Al2O3等金屬氧化物、多孔性二氧化硅膜等SiO2、摻氟娃氧化膜(FSG)、SiOC、HSQ(Hydrogen Silsesquioxane,氫倍半娃氧燒)膜、SiNx、硅烷醇(Si(OH)4)溶解于乙醇等溶劑中，并進(jìn)行涂敷/加熱。作為形成絕緣部11的方法，可列舉:通過絲網(wǎng)印刷法、噴墨法、旋涂法等涂敷含有絕緣性材料的膏體并使其干燥或燒結(jié)的方法；通過利用原料氣體的CVD法等進(jìn)行制膜的方法；以及利用PVD法、蒸鍍法、濺射法、溶膠-凝膠法的方法等。

4.第I電解用電極及第2電解用電極
第I電解用電極8及第2電解用電極7分別設(shè)置于光電轉(zhuǎn)換部2的背面上。第I電解用電極8及第2電解用電極7分別與光電轉(zhuǎn)換部2通過受光而產(chǎn)生電位差的光電轉(zhuǎn)換部2的背面的第I及第2區(qū)域電連接。由此，將光電轉(zhuǎn)換部2通過受光而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)輸出到第I電解用電極8及第2電解用電極7。另外，第I電解用電極8及第2電解用電極7中，一方為利用光電轉(zhuǎn)換部2通過受光而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)從電解液生成H2的氫氣生成部,另一方為利用上述電動(dòng)勢(shì)從電解液生成O2的氧氣生成部。另外，可以并聯(lián)設(shè)置第I電解用電極8及第2電解用電極7，也可以在第I電解用電極8和第2電解用電極7之間設(shè)置隔壁13。第I電解用電極8及第2電解用電極7可以如圖1 5那樣分別設(shè)置一個(gè)，也可以分別設(shè)置多個(gè)，也可以交替設(shè)置。另外可以如圖6 8那樣，將第I電解用電極8及第2電解用電極7中的一方設(shè)置為一個(gè)，在其兩側(cè)設(shè)置另一方。進(jìn)一步，第I電解用電極8及第2電解用電極7可以設(shè)置于電解液流路15的內(nèi)壁。由此，能夠使第I電解用電極8及第2電解用電極7與電解液接觸，能夠從電解液生成氫氣
及氧氣。5.氫氣生成部氫氣生成部是從電解液生成H2的部分，是第I電解用電極8及第2電解用電極7中的任意一方。另外，氫氣生成部可以包含從電解液生成4的反應(yīng)的催化劑。由此，能夠增大從電解液生成H2的反應(yīng)的反應(yīng)速度。氫氣生成部可以僅由從電解液生成H2的反應(yīng)的催化劑構(gòu)成，也可以是在承載體上承載該催化劑的物體。另外，氫氣生成部可以具有比光電轉(zhuǎn)換部2的受光面的面積大的催化劑表面積。由此，能夠使從電解液生成H2的反應(yīng)具有更快的反應(yīng)速度。另外，氫 氣生成部可以是承載有催化劑的多孔性導(dǎo)電體。由此，能夠增大催化劑表面積。另外，能夠抑制因電流在光電轉(zhuǎn)換部2的受光面或背面與氫氣生成部所含的催化劑之間流動(dòng)而引起的電位的變化。另外，在使該氫氣生成部為第I電解用電極8時(shí)，即使省略第2電極，也能夠抑制因電流在電流光電轉(zhuǎn)換部2的背面與催化劑之間流動(dòng)而引起的電位的變化。進(jìn)一步，氫氣生成部可以作為氫氣生成催化劑而包含Pt、Ir、Ru、Pd、Rh、Au、Fe、Ni及Se中的至少一個(gè)。從電解液生成H2的反應(yīng)的催化劑(氫氣生成催化劑)是促進(jìn)從兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)電子向I個(gè)分子的氫氣變換的催化劑，可以使用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、氫氣生成過電壓較小的材料。例如可以應(yīng)用:相對(duì)于氫氣具有催化劑活性的Pt、Ir、Ru、Pd、Rh、Au等鉬族金屬及其合金或化合物；構(gòu)成氫氣生成酶即氫化酶的活性中心的Fe、N1、Se的合金或化合物；以及它們的組合等。其中尤以Pt及含有Pt的納米結(jié)構(gòu)體的氫氣生成過電壓小，而優(yōu)選使用。也可以使用通過光照射確認(rèn)到氫氣生成反應(yīng)的CdS、CdSe, ZnS、ZrO2等材料?？梢灾苯訉錃馍纱呋瘎┏休d于光電轉(zhuǎn)換部2的背面等，但為了進(jìn)一步增大反應(yīng)面積而提高氣體生成速度，可以將催化劑承載于導(dǎo)電體。作為承載催化劑的導(dǎo)電體，可列舉金屬材料、碳質(zhì)材料、具有導(dǎo)電性的無機(jī)材料等。作為金屬材料，優(yōu)選具有電子傳導(dǎo)性、在酸性氛圍下具有耐腐蝕性的材料。具體而言，可列舉:Au、Pt、Pd 等貴金屬；T1、Ta、W、Nb、N1、Al、Cr、Ag、Cu、Zn、Su、Si 等金屬以及這些金屬的氮化物及碳化物；不銹鋼；以及Cu-Cr、N1-Cr> T1-Pt等合金。從其他化學(xué)副反應(yīng)較少這一角度來看，更優(yōu)選金屬材料中包含從由Pt、T1、Au、Ag、Cu、N1、W構(gòu)成的群選擇的至少一個(gè)元素。這些金屬材料電阻較小，即使在面方向取出電流也能夠抑制電壓的下降。另夕卜，在使用Cu、Ag、Zn等在酸性氛圍下缺乏耐腐蝕性的金屬材料的情況下，可以利用Au、Pt、Pd等具有耐腐蝕性的貴金屬及金屬、碳、石墨、玻碳(Glassy Carbon),導(dǎo)電性高分子、導(dǎo)電性氮化物、導(dǎo)電性碳化物、導(dǎo)電性氧化物等涂敷缺乏耐腐蝕性的金屬的表面。作為碳質(zhì)材料，優(yōu)選化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、具有導(dǎo)電性的材料?？闪信e例如乙炔黑、卡博特碳黑力> /Vulcan)、科琴黑、爐黑、VGCF、碳納米管、碳納米角、富勒烯等碳粉末、碳纖維。作為具有導(dǎo)電性的無機(jī)材料，列舉例如In-Zn-O(IZO)、In-Sn-O(ITO)、ZnO-Al,Zn-Sn-O、SnO2、氧化銻摻雜氧化錫。此外，作為導(dǎo)電性高分子，可列舉聚乙炔、聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯、聚對(duì)苯撐、聚對(duì)苯撐乙烯等，作為導(dǎo)電性氮化物，可列舉氮化碳、氮化硅、氮化鎵、氮化銦、氮化鍺、氮化鈦、氮化鋯、氮化鉈等，作為導(dǎo)電性碳化物，可列舉碳化鉭、碳化硅、碳化鋯、碳化鈦、碳化鑰、碳化鈮、碳化鐵、碳化鎳、碳化鉿、碳化鎢、碳化釩、碳化鉻等，作為導(dǎo)電性氧化物，可列舉氧化錫、氧化銦錫(ITO)、氧化銻摻雜氧化錫等。作為承載氫氣生成催化劑的導(dǎo)電體的結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用板狀、箔狀、棒狀、網(wǎng)狀、條板狀、多孔板狀、多孔棒狀、紡織布狀、無紡布狀、纖維狀、氈狀。另外，槽狀地壓接氈狀電極的表面的帶有槽的導(dǎo)電體能夠降低電阻和電極液的流動(dòng)阻力，因而適宜。6.氧氣生成部氧氣生成部是從電解液生成O2的部分，是第I電解用電極8及第2電解用電極7中的任意一方。另外，氧氣生成部可以包含從電解液生成O2的反應(yīng)的催化劑。由此，能夠增大從電解液生成O2的反應(yīng)的反應(yīng)速度。另外，氧氣生成部可以僅由從電解液生成O2的反應(yīng)的催化劑構(gòu)成，也可 以是在承載體上承載該催化劑的物體。另外，氧氣生成部可以具有比光電轉(zhuǎn)換部2的受光面的面積大的催化劑表面積。由此，能夠使從電解液生成O2的反應(yīng)具有更快的反應(yīng)速度。另外，氧氣生成部可以是承載有催化劑的多孔性導(dǎo)電體。由此，能夠增大催化劑表面積。另外，能夠抑制因電流在光電轉(zhuǎn)換部2的受光面或背面與氧氣生成部所含的催化劑之間流動(dòng)而引起的電位的變化。另外，在使該氫氣生成部為第I電解用電極8時(shí)，即使省略第2電極，也能夠減小因電流在電流光電轉(zhuǎn)換部2的背面與催化劑之間流動(dòng)而引起的電位的變化。進(jìn)一步，氧氣生成部可以作為氧氣生成催化劑而包含Mn、Ca、Zn、Co及Ir中的至少一個(gè)。從電解液生成O2的反應(yīng)的催化劑(氧氣生成催化劑)是促進(jìn)從兩個(gè)水分子向I個(gè)分子的氧氣及四個(gè)質(zhì)子、四個(gè)電子變換的催化劑，可以使用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、氧氣生成過電壓較小的材料。例如可以使用:作為促進(jìn)利用光從水生成氧氣的反應(yīng)的酶即Photosystem II的活性中心的、包含Mn、Ca、Zn、Co的氧化物或化合物；Pt、RuO2, IrO2等包含鉬族金屬的化合物；包含T1、Zr、Nb、Ta、W、Ce、Fe、Ni等過渡金屬的氧化物或化合物；以及上述材料的組合等。其中尤以氧化銥、氧化錳、氧化鈷、磷酸鈷的過電壓小、氧氣生成效率高，因而可優(yōu)選使用?？梢灾苯訉⒀鯕馍纱呋瘎┏休d于光電轉(zhuǎn)換部2的受光面或背面，但為了進(jìn)一步增大反應(yīng)面積而提高氣體生成速度，可以將催化劑承載于導(dǎo)電體。作為承載催化劑的導(dǎo)電體，可列舉金屬材料、碳質(zhì)材料、具有導(dǎo)電性的無機(jī)材料等。上述說明僅限于與“5.氫氣生成部”所述的氫氣生成催化劑的說明沒有矛盾。氫氣生成催化劑及氧氣生成催化劑單獨(dú)的催化劑活性較小時(shí)，也可以使用助催化齊U。可列舉例如N1、Cr、Rh、Mo、Co、Se的氧化物或化合物等。此外，氫氣生成催化劑、氧氣生成催化劑的承載方法為對(duì)導(dǎo)電體或半導(dǎo)體直接進(jìn)行涂敷的方法、真空蒸鍍法、濺射法、離子鍍敷法等PVD法、CVD法等干式涂敷法；電沉積法等，可以根據(jù)材料適當(dāng)改變方法進(jìn)行制造。光電轉(zhuǎn)換部和催化劑之間可以適當(dāng)承載導(dǎo)電物質(zhì)。另外，在用于氫氣生成及氧氣生成的催化劑活性不充足的情況下，通過承載于金屬、碳等多孔體、纖維狀物質(zhì)、納米粒子等，能夠增大反應(yīng)表面積，提高氫氣及氧氣生成速度。7.頂板可以將頂板14設(shè)置為在第I電解用電極8及第2電解用電極7上與基板I相對(duì)。另外，可以將頂板14設(shè)置為在第I電解用電極8及第2電解用電極7與頂板14之間設(shè)置有空間。另外，頂板14是用于構(gòu)成電解液等的流路、并封入生成的氫氣及氧氣的材料，要求為密閉性高的物質(zhì)。是透明的物質(zhì)還是不透明的物質(zhì)并無特別限定，但在能夠從視覺上確認(rèn)氫氣及氧氣的生成這一點(diǎn)上，優(yōu)選透明的材料。作為透明的頂板，并無特別限定，可列舉例如石英玻璃、〃 4 V ” ％ (注冊(cè)商標(biāo))、合成石英板等透明的剛性材料、或透明樹脂板、透明樹脂薄膜等。其中，基于是無透氣性、化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)穩(wěn)定的物質(zhì)這一點(diǎn)，優(yōu)選使用玻璃材料。8.隔壁可以將隔壁13設(shè)置成隔開第I電解用電極8和頂板14之間的空間、及第2電解用電極7和頂板14之間的空間。由此，能夠防止在第I電解用電極8及第2電解用電極7生成的氫氣及氧氣混合，能夠分離并回收氫氣及氧氣。另外，隔壁13可以包含離子交換體。由此，能夠在第I電解用電極8與頂板14之間的空間的電解液和第2電解用電極7與頂板14之間的空間的電解液中使變得不平衡的質(zhì)子濃度保持為固定。即，質(zhì)子經(jīng)由隔壁9進(jìn)行離子的移動(dòng)，從而能夠消除質(zhì)子濃度的不平衡。隔壁13可以設(shè)置成例如像圖2那樣與頂板14接觸，也可以設(shè)置成在頂板14和隔壁13之間留有空間。另外，可以在隔壁13上設(shè)置孔。由此能夠更容易地消除質(zhì)子的不平衡。此外，即使在頂板14和隔壁13之間設(shè)置空間，通過將氫氣制造裝置設(shè)置為光電轉(zhuǎn)換部2的受光面朝上，也能夠防止氫氣和氧氣的混合。另外，通過在隔壁13的靠近頂板14的部分設(shè)置孔，能夠防止氫氣和氧氣的混合。圖2中，通過隔壁13將第I電解用電極8與頂板14之間的電解液流路15和第2電解用電極7與頂板14之間的電解液流路15完全隔離，但只要不妨礙上述電解液流路之間的離子移動(dòng)，則可以將隔壁13設(shè)置成形成氣體流路。此時(shí)，為了不使生成的氫氣及氧氣混合，可以通過印刷法等成本更低的手段設(shè)置隔壁13。此時(shí)，結(jié)合基板I與頂板14的部位變?yōu)槊芊饧?6。為了增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可以設(shè)置為使隔壁9局部與頂板14接觸。從電解液生 成的氫氣生成量及氧氣生成量的比例為2:1摩爾比，氣體生成量因第I電解用電極8和第2電解用電極7的不同而不同。因此，基于使裝置內(nèi)的含水量為固定量的目的，優(yōu)選隔壁13為透水材料。隔壁13可使用例如多孔玻璃、多孔氧化鋯、多孔氧化鋁等的無機(jī)膜或離子交換體。作為離子交換體，該領(lǐng)域公知的離子交換體均可使用，可以使用質(zhì)子傳導(dǎo)性膜、陽離子交換膜、陰離子交換膜等。作為質(zhì)子傳導(dǎo)性膜的材質(zhì)，只要是具有質(zhì)子傳導(dǎo)性且具有電絕緣性的材質(zhì)即可，并無特別限定，可以使用高分子膜、無機(jī)膜或復(fù)合膜。作為高分子膜，可列舉例如全氟磺酸類電解質(zhì)膜:于''二 *。>公司制的于7〗才>(Nafion，注冊(cè)商標(biāo))、旭化成公司制的7％ (Aciplex，注冊(cè)商標(biāo))、旭硝子公司制的7 S才> (Flemion，注冊(cè)商標(biāo))等膜；聚苯乙烯磺酸、磺化聚醚醚酮等碳?xì)浠衔镱愲娊赓|(zhì)I吳等。作為無機(jī)膜，可列舉例如由磷酸玻璃、硫酸氫銫、聚鎢磷酸、聚磷酸銨等構(gòu)成的膜。作為復(fù)合膜，可列舉由磺化聚酰亞胺類聚合物、鎢酸等無機(jī)物與聚酰亞胺等有機(jī)物的復(fù)合材料等構(gòu)成的膜，具體而言，可列舉5 7公司制的5 7 々卜膜(注冊(cè)商標(biāo))、細(xì)孔填充電解質(zhì)膜等。進(jìn)一步，在高溫環(huán)境下(例如，100°c以上)使用時(shí)，可列舉磺化聚酰亞胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、磺化聚苯并咪唑、磷酸化聚苯并咪唑、硫酸氫銫、聚磷酸銨
等ο

作為陽離子交換膜，只要是能夠使陽離子移動(dòng)的固體高分子電解質(zhì)即可。具體而言，可列舉全氟磺酸膜、全氟羧酸膜等氟類離子交換膜、浸潰有磷酸的聚苯并咪唑膜、聚苯乙烯磺酸膜、磺酸化苯乙烯-乙烯基苯共聚物膜等。在支持電解質(zhì)溶液的陰離子遷移率較高時(shí)，優(yōu)選使用陰離子交換膜。作為陰離子交換膜，可使用陰離子能夠移動(dòng)的固體高分子電解質(zhì)。具體而言，可列舉聚鄰苯二胺膜、具有銨鹽衍生物基團(tuán)的氟類離子交換膜、具有銨鹽衍生物基團(tuán)的乙烯基苯聚合物膜、將氯甲基苯乙烯-乙烯基苯共聚物氨基化而得到的膜等。分別通過氫氣生成催化劑、氧氣生成催化劑來選擇性地進(jìn)行氫氣生成、氧氣生成，隨之而引起離子的移動(dòng)時(shí)，不一定需要配置用于離子交換的特殊的膜等部件。若目的僅為物理性地隔離氣體，則可以使用下述密封劑所述的紫外線固化性樹脂或熱固性樹脂。9.密封件密封件16是用于粘合基板I和頂板14、將在氫氣制造裝置23內(nèi)流動(dòng)的電解液以及在氫氣制造裝置23內(nèi)生成的氫氣和氧氣密閉的部件。密封件16可應(yīng)用例如紫外線固化性粘合劑、熱固性粘合劑等，其種類無限定。紫外線固化性的粘合劑是通過照射具有200 400nm的波長(zhǎng)的光而發(fā)生聚合、并在光照射后數(shù)秒發(fā)生固化反應(yīng)的樹脂，分為自由基聚合型和陽離子聚合型，作為自由基聚合型樹脂，可列舉丙烯酸酯、不飽和聚酯，作為陽離子聚合型，可列舉環(huán)氧、氧雜環(huán)丁烷、乙烯基醚等。另外作為熱固性高分子粘合劑，可列舉酚醛樹月旨、環(huán)氧樹脂、三聚氰胺樹脂、尿素樹脂、熱固性聚酰亞胺等有機(jī)樹脂。熱固性的高分子粘合劑以熱壓接時(shí)施加壓力的狀態(tài)進(jìn)行加熱聚合，之后，以加壓狀態(tài)冷卻至室溫，而使各部件良好地接合，因此不需要緊固部件等。另外，除了有機(jī)樹脂之外，可使用相對(duì)于玻璃基板密合性較高的雜化材料。通過使用雜化材料，提高彈性率、硬度等力學(xué)特性，并顯著提高耐熱性、耐藥品性。雜化材料由無機(jī)膠體粒子和有機(jī)樹脂粘合劑構(gòu)成。例如由二氧化硅等無機(jī)膠體粒子和環(huán)氧樹脂、聚氨酯丙烯酸酯樹脂、聚酯丙烯酸酯樹脂等有機(jī)樹脂粘合劑構(gòu)成。
在此記為密封件16，但只要具有粘合基板I與頂板14的功能即可，也可以應(yīng)用如下方法:利用樹脂制或金屬制的墊圈，從外部利用螺釘?shù)炔考锢硇缘厥┘訅毫硖岣呙荛]性的方法等。10.電解液流路可以使電解液流路15為第I電解用電極8與頂板14之間的空間、及第2電解用電極7與頂板14之間的空間。另外，可以用隔壁13隔開電解液流路15。還可以設(shè)置使電解液在電解液流路的內(nèi)部循環(huán)的、例如泵、風(fēng)扇、基于熱的對(duì)流產(chǎn)生裝置等簡(jiǎn)易裝置，以使生成的氫氣及氧氣的氣泡高效地從第I電解用電極8或第2電解用電極7離開。11.供水口、 第I氣體排出口及第2氣體排出口可以通過在氫氣制造裝置23所含的密封件16的一部分制作開口來設(shè)置供水口
18。配置供水口 18用以補(bǔ)充被分解成氫氣及氧氣的水，其配置部位及形狀只要高效地向氫氣制造裝置供給作為原料的水即可，并無特別限定，但從流動(dòng)性及供給的容易程度的角度來看，優(yōu)選設(shè)置于氫氣制造裝置下部。另外，在使供水口 18處于下側(cè)而設(shè)置氫氣制造裝置23時(shí)，可以通過在氫氣制造裝置23的上側(cè)的部分的密封件16制作開口來設(shè)置第I氣體排出口 20及第2氣體排出口 19。另外，第I氣體排出口 20與第2氣體排出口 19可分別夾著隔壁13而設(shè)置于第I電解用電極20側(cè)和第2電解用電極19側(cè)。12.電解液電解液是含有電解質(zhì)的水溶液，例如為含有0.1M的H2SO4的電解液、0.1M磷酸鉀緩沖液等。利用氫氣制造裝置的氫氣的制造方法通過設(shè)置供水口 18、第I氣體排出口 20及第2氣體排出口 19，能夠?qū)錃庵圃煅b置23設(shè)置為光電轉(zhuǎn)換部2的受光面以朝上的狀態(tài)相對(duì)于水平面傾斜、供水口 18位于下側(cè)、第I氣體排出口 20及第2氣體排出口 19位于上側(cè)。通過如此設(shè)置，能夠從供水口 18將電解液導(dǎo)入到氫氣制造裝置23內(nèi)，用電解液充滿電解液流路15。在該狀態(tài)下,使光入射到氫氣制造裝置23，從而能夠分別在氫氣生成部及氧氣生成部連續(xù)地生成氫氣及氧氣。該生成的氫氣及氧氣能夠被隔壁13分離，氫氣及氧氣向氫氣制造裝置23的上部上升，能夠從第I氣體排出口 20及第2氣體排出口 19回收。產(chǎn)業(yè)利用性本發(fā)明的氫氣制造裝置作為利用太陽能分解水而制造氫氣及氧氣的創(chuàng)能裝置被利用。能夠在家庭、氫氣站、大規(guī)模氫氣制造工廠現(xiàn)場(chǎng)制造氫氣。符號(hào)說明I 基板2光電轉(zhuǎn)換部4p型半導(dǎo)體部5n型半導(dǎo)體部6半導(dǎo)體部7第2電解用電極
8第I電解用電極11絕緣部13 隔壁14 頂板15電解液流路16密封件18 供水口19第2氣體排出口20第I氣體排出口

23氫氣制造裝置25 隔離26溝槽隔離27第I導(dǎo)電部28第2導(dǎo)電部29第3導(dǎo)電部
權(quán)利要求
1.一種氫氣制造裝置，其特征在于， 具備具有受光面及背面的光電轉(zhuǎn)換部；和在上述背面上分別設(shè)置的第I電解用電極及第2電解用電極， 上述光電轉(zhuǎn)換部通過受光而在上述背面的第I及第2區(qū)域之間產(chǎn)生電位差，第I區(qū)域與第I電解用電極電連接，第2區(qū)域與第2電解用電極電連接， 當(dāng)?shù)贗及第2電解用電極與電解液接觸時(shí)，第I電解用電極形成利用由上述光電轉(zhuǎn)換部通過受光而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)從電解液生成H2的氫氣生成部，第2電解用電極形成利用上述電動(dòng)勢(shì)從電解液生成O2的氧氣生成部。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中， 上述光電轉(zhuǎn)換部由具有η型半導(dǎo)體部及P型半導(dǎo)體部的至少一個(gè)半導(dǎo)體材料構(gòu)成， 第I及第2區(qū)域中，一方為上述η型半導(dǎo)體部的一部分，另一方為上述P型半導(dǎo)體部的一部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中， 還具備在上述光電轉(zhuǎn)換部的背面和第I電解用電極之間的一部分以及上述背面和第2電解用電極之間的一部分設(shè)置的絕緣部， 第I電解用電極及第2電解用電極分別經(jīng)由未設(shè)置上述絕緣部的第I及第2區(qū)域，與上述η型半導(dǎo)體部或上述P型半導(dǎo)體部電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中， 還具備第I導(dǎo)電部，設(shè)置于上述絕緣部和第I電解用電極之間，并經(jīng)由第I區(qū)域與上述η型半導(dǎo)體部或上述P型半導(dǎo)體部電連接；和第2導(dǎo)電部，設(shè)置于上述絕緣部和第2電解用電極之間，并經(jīng)由第2區(qū)域與上述η型半導(dǎo)體部或上述P型半導(dǎo)體部電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4的任意一項(xiàng)所述的裝置，其中， 上述光電轉(zhuǎn)換部具有多個(gè)pin結(jié)、pn結(jié)、npp+結(jié)或pnn+結(jié)， 多個(gè)pin結(jié)、多個(gè)pn結(jié)、多個(gè)npp+結(jié)或多個(gè)pnn+結(jié)串聯(lián)連接,并將通過受光而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)供給到第I電解用電極及第2電解用電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中， 上述光電轉(zhuǎn)換部包括多個(gè)具有pin結(jié)、pn結(jié)、npp+結(jié)或pnn+結(jié)的半導(dǎo)體基板。
7.根據(jù)權(quán)利要求I 6的任意一項(xiàng)所述的裝置，其中， 上述氫氣生成部及上述氧氣生成部分別包含從電解液生成H2的反應(yīng)的催化劑及從電解液生成O2的反應(yīng)的催化劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中， 上述氫氣生成部及上述氧氣生成部中的至少一方，具有比上述受光面的面積大的催化劑表面積。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的裝置，其中， 上述氫氣生成部及上述氧氣生成部中的至少一方是承載有催化劑的多孔性導(dǎo)電體。
10.根據(jù)權(quán)利要求7 9的任意一項(xiàng)所述的裝置，其中， 上述氫氣生成部作為氫氣生成催化劑含有Pt、Ir、Ru、Pd、Rh、Au、Fe、Ni及Se中的至少一個(gè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求I 10的任意一項(xiàng)所述的裝置，其中，上述氧氣生成部作為氧氣生成催化劑含有Mn、Ca、Zn、Co及Ir中的至少一個(gè)。
12.根據(jù)權(quán)利要求I 11的任意一項(xiàng)所述的裝置，其中， 上述光電轉(zhuǎn)換部設(shè)置于具有透光性的基板上， 在第I電解用電極及第2電解用電極之上還設(shè)置有與上述基板相對(duì)的頂板， 在第I電解用電極及第2電解用電極與上述頂板之間設(shè)置有空間。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中， 還具備隔壁，該隔壁將第I電解用電極與上述頂板之間的空間及第2電解用電極與頂板之間的空間隔開。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中， 上述隔壁包含離子交換體。
15.根據(jù)權(quán)利要求I 14的任意一項(xiàng)所述的裝置，其中， 上述光電轉(zhuǎn)換部由具有η型半導(dǎo)體部及P型半導(dǎo)體部的至少一個(gè)半導(dǎo)體基板構(gòu)成， 上述η型半導(dǎo)體部是使η型雜質(zhì)從上述半導(dǎo)體基板的背面擴(kuò)散而成的部分或從上述半導(dǎo)體基板的背面離子注入η型雜質(zhì)而成的部分， 上述P型半導(dǎo)體部是使P型雜質(zhì)從上述半導(dǎo)體基板的背面擴(kuò)散而成的部分或從上述半導(dǎo)體基板的背面離子注入P型雜質(zhì)而成的部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求I 15的任意一項(xiàng)所述的裝置，其中， 上述光電轉(zhuǎn)換部為具有多個(gè)pin結(jié)、多個(gè)pn結(jié)、多個(gè)npp+結(jié)或多個(gè)pnn+結(jié)的至少一個(gè)半導(dǎo)體基板， 各pin結(jié)、各pn結(jié)、各npp+結(jié)或各pnn+結(jié)通過溝槽隔離而被分離。
17.一種氫氣制造方法，其中， 將權(quán)利要求I 16的任意一項(xiàng)所述的氫氣制造裝置設(shè)置為上述受光面相對(duì)于水平面傾斜， 從上述氫氣制造裝置的下部向上述氫氣制造裝置導(dǎo)入電解液，并使太陽光入射到上述受光面，從而分別從上述氫氣生成部及上述氧氣生成部生成氫氣及氧氣，從上述氫氣制造裝置的上部排出氫氣及氧氣。
全文摘要
本發(fā)明的氫氣制造裝置的特征在于，具備具有受光面及背面的光電轉(zhuǎn)換部和在上述背面上分別設(shè)置的第1電解用電極及第2電解用電極，上述光電轉(zhuǎn)換部通過受光而在上述背面的第1及第2區(qū)域之間產(chǎn)生電位差，第1區(qū)域與第1電解用電極電連接，第2區(qū)域與第2電解用電極電連接，當(dāng)?shù)?及第2電解用電極與電解液接觸時(shí)，第1電解用電極形成利用由上述光電轉(zhuǎn)換部通過受光而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)從電解液生成H2的氫氣生成部，第2電解用電極形成利用上述電動(dòng)勢(shì)從電解液生成O2的氧氣生成部。
文檔編號(hào)C01B3/04GK103237925SQ20118004650
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月28日
發(fā)明者吉田章人, 佐多俊輔, 加賀正樹 申請(qǐng)人:夏普株式會(huì)社