光電化學(xué)反應(yīng)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種光電化學(xué)反應(yīng)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，擔(dān)心石油和煤炭等礦物燃料的枯竭，對能持續(xù)利用的可再生能源的期待高。作為可再生能源之一，利用太陽光的太陽能電池和熱發(fā)電的開發(fā)正活躍地進(jìn)行。但是，儲存利用太陽能電池產(chǎn)生的電力(電氣)時，需要使用蓄電池。因此，存在蓄電池花費(fèi)成本、或者蓄電時產(chǎn)生損失的問題。
[0003]與此相對，不將太陽光轉(zhuǎn)換為電而直接轉(zhuǎn)換為氫(H2)、一氧化碳(CO)、甲醇(CH3OH)、或者甲酸(HCOOH)等化學(xué)物質(zhì)(化學(xué)能)的技術(shù)受到關(guān)注。將太陽光轉(zhuǎn)換為化學(xué)物質(zhì)后儲存于高壓瓶或罐時，與將太陽光轉(zhuǎn)換為電后儲存于蓄電池時相比，具有能量儲存為低成本、并且由儲存帶來的損失少的優(yōu)點(diǎn)。
[0004]作為這樣的將太陽光以電化學(xué)的方式轉(zhuǎn)換成化學(xué)物質(zhì)的光電化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)，例如可舉出專利文獻(xiàn)I。在專利文獻(xiàn)I中，在光催化劑的表面設(shè)置有二氧化碳(CO2)還原催化劑。并且，該0)2還原催化劑經(jīng)由電線與其它光催化劑連接。其它光催化劑通過光能而得到電位。0)2還原催化劑通過經(jīng)由電線從其它光催化劑得到還原電位，從而將CO 2還原，生成甲酸。這樣，在專利文獻(xiàn)I中，為了得到對于使用可見光利用光催化劑進(jìn)行CO2的還原所需要的電位，使用兩段激發(fā)。但是，該由太陽光向化學(xué)能的轉(zhuǎn)換效率為0.04%，非常低。這歸因于利用可見光激發(fā)的光催化劑的能量效率低。
[0005]在非專利文獻(xiàn)I中，為了得到反應(yīng)的電位，使用重疊有3層光電動勢層的結(jié)構(gòu)。并且，通過在光電動勢層的電極上設(shè)置催化劑，進(jìn)行水(H2O)的氧化還原反應(yīng)，得到作為化學(xué)物質(zhì)的H2。但是，由于利用氧化反應(yīng)產(chǎn)生的氧(O2)與利用還原反應(yīng)產(chǎn)生的H2混雜，因此，存在需要在后序工序中進(jìn)行這些產(chǎn)物的分離的問題。
[0006]另外，在非專利文獻(xiàn)I中，光電動勢層自身向電能的轉(zhuǎn)換效率為7.7%，相對于此，向H2的轉(zhuǎn)換效率、即由太陽光向化學(xué)能的轉(zhuǎn)換效率為4.7%，較小。作為該原因之一，可舉出在光電動勢層的光照射側(cè)設(shè)置有具有遮光性的金屬網(wǎng)的電極。由于該金屬網(wǎng)，導(dǎo)致照射到光電動勢層的光量減少。
[0007]另外，在非專利文獻(xiàn)I中，記載有通過設(shè)置在光電動勢層的光照射側(cè)的相反側(cè)的催化劑發(fā)生反應(yīng)的方式。但是，此時，由太陽光向化學(xué)能的轉(zhuǎn)換效率為2.5%，小于上述金屬網(wǎng)的形態(tài)。作為其原因，可舉出在光照射側(cè)生成的離子(相反側(cè)的催化劑的反應(yīng)中使用的離子)擴(kuò)散至光照射側(cè)的相反側(cè)的距離長，電位損失。
[0008]這樣，作為光電化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)，謀求實(shí)現(xiàn)通過氧化還原反應(yīng)生成的化學(xué)物質(zhì)的分離，并且，有效利用由光電動勢層產(chǎn)生的電動勢，提高由太陽光向化學(xué)能的轉(zhuǎn)換效率。
[0009]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0010]專利文獻(xiàn)
[0011]專利文獻(xiàn)1:日本特開2011-094194號公報
[0012]非專利文獻(xiàn)
[0013]非專利文獻(xiàn)I:S.Y.Reece 等,Science, vol.334.pp.645 (2011)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]發(fā)明要解決的課題
[0015]本發(fā)明的目的在于提供一種具有將氧化還原反應(yīng)的產(chǎn)物分離的功能、并且由太陽光向化學(xué)能的轉(zhuǎn)換效率高的光電化學(xué)反應(yīng)裝置。
[0016]用于解決課題的手段
[0017]本實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置包括:溶液槽，其收納第I溶液；層疊體，其被收納于所述溶液槽內(nèi)，具備:第I電極、形成于所述第I電極的下方的第2電極、形成于所述第I電極與所述第2電極之間且利用來自上方的光能進(jìn)行電荷分離的光電動勢層、以及形成于所述第2電極的露出面上的第I絕緣層；配管，其被收納于所述溶液槽內(nèi)，與所述第I電極的上方對置地配置，收納第2溶液，具有從外表面到內(nèi)表面貫通的細(xì)孔；以及配線，其將所述第2電極與所述配管電連接。
【附圖說明】
[0018]圖1是表示第I實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的立體圖。
[0019]圖2是表示第I實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0020]圖3是表示第I實(shí)施方式中的層疊體的一個例子的截面圖。
[0021]圖4是表示第I實(shí)施方式中的層疊體的其它例子的截面圖。
[0022]圖5是表示第I實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置的工作原理的截面圖。
[0023]圖6是表示第2實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0024]圖7是表示第3實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)I的截面圖。
[0025]圖8是表示第3實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)2的截面圖。
[0026]圖9是表示第3實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)3的截面圖。
[0027]圖10是表示第4實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0028]圖11是表示第5實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的立體圖。
[0029]圖12是表示第5實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0030]圖13是表示第5實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的一個例子的俯視圖。
[0031]圖14是表示第5實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的其它例子的俯視圖。
[0032]圖15是表示第5實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置的工作原理的截面圖。
[0033]圖16是表示第6實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0034]圖17是表示第7實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0035]圖18是表示第8實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]以下參照【附圖說明】本實(shí)施方式。在附圖中，相同部分附以相同參照符號。另外，重復(fù)的說明根據(jù)需要進(jìn)行。
[0037]1.第I實(shí)施方式
[0038]以下使用圖1至圖5，對第I實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置進(jìn)行說明。
[0039]在第I實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置中，光電化學(xué)反應(yīng)單元由層疊體41和配管61構(gòu)成，所述層疊體41包括第I電極11、光電動勢層31、第2電極21、以及第I絕緣層22，所述配管61經(jīng)由配線51與第2電極21電連接。該光電化學(xué)單元被收納于填充有含H2O的第I溶液81的溶液槽71內(nèi)，在配管內(nèi)61填充含CO2的第2溶液82。由此，能夠?qū)⒀趸€原反應(yīng)的產(chǎn)物分離，并且能夠提高由太陽光向化學(xué)能的轉(zhuǎn)換效率。以下對第I實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0040]1-1.第I實(shí)施方式的構(gòu)成
[0041]圖1是表示第I實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的立體圖。圖2是表示第I實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的截面圖，是沿圖1中的A-A'線的截面圖。圖3是表示第I實(shí)施方式中的層疊體41的一個例子的截面圖，圖4是表示第I實(shí)施方式中的層疊體41的其它例子的截面圖。
[0042]如圖1以及圖2所示，第I實(shí)施方式的光電化學(xué)反應(yīng)裝置包括:由層疊體41、配線51、以及配管61構(gòu)成的光電化學(xué)反應(yīng)單元；以及收納光電化學(xué)反應(yīng)單元的溶液槽71。
[0043]溶液槽71在其內(nèi)部收納光電化學(xué)反應(yīng)單元。另外，溶液槽71為了浸漬光電化學(xué)反應(yīng)單元，在其內(nèi)部收納第I溶液81。第I溶液81例如為含H2O的溶液。作為這樣的溶液，可舉出含有任意電解質(zhì)的溶液，但是，優(yōu)選為促進(jìn)H2O的氧化反應(yīng)的溶液。溶液槽71的上表面設(shè)置有透光率高的例如由玻璃或者丙烯酸類樹脂形成的窗部。照射光從溶液槽71的上方被照射。通過該照射光，后述的光電化學(xué)反應(yīng)單元進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。
[0044]另外，注入口 I以及回收口 2與溶液槽71連接。注入口 I注入在溶液槽71內(nèi)用于氧化反應(yīng)的液體(第I溶液81)。回收口 2回收在溶液槽71內(nèi)通過氧化反應(yīng)生成的氣體(例如O2) O
[0045]光電化學(xué)反應(yīng)單元由層疊體41、配線51、以及配管61構(gòu)成，由光能生成化學(xué)能。關(guān)于光電化學(xué)反應(yīng)單元的各要素，以下進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0046]如圖3所示，層疊體41的一個例子由第I電極11、光電動勢層31、第2電極21、以及第I絕緣層22構(gòu)成。層疊體41為向第I方向以及與第I方向垂直的第2方向擴(kuò)展的平板狀，以第2電極21為基材依次形成。此外，在此，以光照射側(cè)為表面(上表面)、以光照射側(cè)的相反側(cè)為背面(下表面)進(jìn)行說明。
[0047]第2電極21具有導(dǎo)電性。另外，第2電極21是為了支撐層疊體41、增強(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度而設(shè)置的。第2電極21例如由Cu、Al、T1、N1、Fe、或者Ag等的金屬板、或者至少含有它們中的一種的例如SUS那樣的合金板構(gòu)成。另外，第2電極21也可以由導(dǎo)電性的樹脂等構(gòu)成。另外，第2電極21也可以由Si或者Ge等半導(dǎo)體基板、離子交換膜構(gòu)成。
[0048]光電動勢層31形成于第2電極21上(表面上(上表面上))。光電動勢層31由反射層32、第I光電動勢層33、第2光電動勢層34、以及第3光電動勢層35構(gòu)成。
[0049]反射層32形成于第2電極21上，由從下部側(cè)起依次形成的第I反射層32a以及第2反射層32b構(gòu)成。第I反射層32a具有光反射性和導(dǎo)電性，例如由Ag、Au、Al、或者Cu等金屬、或者至少含有它們中的一種金屬的合金構(gòu)成。第2反射層32b是為了調(diào)節(jié)光學(xué)距離、提高光反射性而設(shè)置的。另外，第2反射層32b與光電動勢層31的η型半導(dǎo)體層(后述的η型非晶硅層33a)接合。因此，第2反射層32b優(yōu)選由具有透光性、能與η型半導(dǎo)體層歐姆接觸的材料構(gòu)成。第2反射層32b例如由ITO(Indium Tin Oxide，氧化銦錫)或者氧化鋅(ZnO)、FT0(氟摻雜氧化錫)、AZ0(鋁摻雜氧化鋅)、或者ATO (銻摻雜氧化錫)等透明導(dǎo)電性氧化物構(gòu)成。
[0050]第I光電動勢層33、第2光電動勢層34、以及第3光電動勢層35分別是使用了pin接合半導(dǎo)體的太陽能電池，光的吸收波長不同。通過將其層疊成平面狀，光電動勢層31能吸收太陽光的寬波長的光，能夠更有效利用太陽光能量。另外，由于各光電動勢層串聯(lián)連接，因此，能夠得到高的開放電壓。
[0051]更具體地，第I光電動勢層33形成于反射層32上，由從下部側(cè)起依次形成的η型非晶硅(a-Si)層33a、本征非晶硅鍺(a-SiGe)層33b、以及p型微晶硅(μ c_Si)層33c構(gòu)成。在此，a-SiGe層33b為吸收700nm左右的長波長區(qū)域的光的層。S卩，第I光電動勢層33利用長波長區(qū)域的光能，產(chǎn)生電荷分離。
[0052]另外，第2光電動勢層34形成于第I光電動勢層33上，由從下部側(cè)起依次形成的η型a_Si層34a、本征a-SiGe層34b、以及p型μ c_Si層34c構(gòu)成。在此，a-SiGe層34b是吸收600nm左右的中間波長區(qū)域的光的層。S卩，第2光電動勢層34利用中間波長區(qū)域的光能，產(chǎn)生電荷分離。
[0053]另外，第3光電動勢層35形成于第2光電動勢層34上，由從下部側(cè)起依次形成的η型a_Si層35a、本征a_Si層35b、以及p型μ c_Si層35c構(gòu)成。在此，a_Si層35b為吸收400nm左右的短波長區(qū)域的光的層。S卩，第3光電動勢層35利用短波長區(qū)域的光能產(chǎn)生電荷分離。
[0054]這樣，光電動勢層31利用各波長區(qū)域的光產(chǎn)生電荷分離。S卩，空穴向陽極側(cè)(表面?zhèn)?、電子向陰極側(cè)(背面?zhèn)?分離。由此，光電動勢層31產(chǎn)生電動勢。
[0055]第I電極11形成于光電動勢層31的P型半導(dǎo)體層(P型μ c-Si層35c)上。因此，第I電極11優(yōu)選由能夠與P型半導(dǎo)體