JP2015514867A - 光電気化学セル、光電気化学セルを用いた水素および酸素の光駆動生成システムならびに生成方法、および、光電気化学セルの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
2 電気化学層構造体
3 光
3.1 高エネルギー光成分
3.2 低エネルギー光成分
4 光源
5 外部導体路
10 電解質、特に水
11 太陽電池セル
12 電気化学的反応器
13 結合層
14 表側層スタック
21 表側電極
22 裏側電極
23 第1の機能層
24 第2の機能層
25 触媒
27 表側電極スペース
28 裏側電極スペース
31 基板
32 表側コンタクト
40 積層構成体
41 表側
42 裏側
51 トップ太陽電池セル
51p,51i,51n 構造層
52 ボトム太陽電池セル
52p,52i,52n 構造層
61 イオン交換膜
100 光電気化学セル、PEC
S1,S2,S3,S3.2,S3.3,S4,S5,S5.1,S5.2,S6 方法のステップ
Claims (27)
- 水素と酸素とを、特に水から、または水溶液をベースとする他の電解質から、光駆動により生成するための光電気化学セル(100)であって、
前記光電気化学セル(100)は、光電層構造体(1)と電気化学層構造体(2)とを1つの積層構成体(40)で有しており、
前記光電層構造体(1)は、前記電解質(10)から影響を受けずに光(3)を吸収するため、前記積層構成体(40)の表側(41)を形成し、
前記電気化学層構造体(2)は、前記電解質(10)を収容するために、前記積層構成体(40)の裏側(42)を形成し、
導電性かつ耐食性の結合層(13)が、前記積層構成体(40)において前記光電層構造体(1)と前記電気化学層構造体(2)とを相互に電気的にコンタクトさせ、
前記電気化学層構造体(2)は、表側電極(21)の電極構造体と裏側電極(22)の電極構造体とを有し、
集積化した1つの積層構成体(40)を形成して、イオン交換膜(61)が、前記表側電極(21)および/または前記裏側電極(22)の、前記電解質(10)を変換するために構成された電極構造体に接触するように、当該イオン交換膜(61)が両電極構造体間に配置されている
ことを特徴とする光電気化学セル(100)。 - 前記光電層構造体(1)と前記電気化学層構造体(2)とは、1つの積層体の、配列方向に個別に設けられた複数の層の配列として、前記積層構成体(40)に集積されている、
請求項1記載の光電気化学セル(100)。 - 前記光電層構造体(1)は光発電セルのモジュール形態であり、および/または、前記電気化学層構造体(2)は電気化学セルのモジュール形態であり、
前記光電層構造体(1)と前記電気化学層構造体(2)とは、前記導電性かつ耐食性の結合層(13)を用いて組み立てられて前記積層構成体(40)を構成する、
請求項1または2記載の光電気化学セル(100)。 - 前記表側電極(21)の電極構造体および/または前記裏側電極(22)の電極構造体は、前記電解質(10)を変換するよう構成された機能層(23),(24)を有し、
前記機能層は別個の層として、前記表側電極(21)の中実部分上および/または前記裏側電極(22)の中実部分上に設けられている、
請求項1から3までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 前記表側電極(21)の電極構造体および/または前記裏側電極(22)の電極構造体は、前記電解質(10)中の水の変換を行うため、当該表側電極(21)および/または裏側電極(22)と一体を成すよう形成された機能領域を、とりわけ、表側電極(21)および/または裏側電極(22)の表面処理により形成された機能領域を有する、
請求項1から4までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 前記表側電極(21)上にある第1の機能層(23)および/または機能領域は、前記イオン交換膜(61)と接触しており、
および/または、
前記裏側電極(22)上にある第2の機能層(24)および/または機能領域は、前記イオン交換膜(61)に接触しており、
とりわけ、機能層(23)および/または機能領域は導電性であり、かつ、生成ガスに対して透過性である、
請求項1から5までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 前記イオン交換膜(61)と、電解質(10)中の水の変換を行う機能層(23,24)および/または機能領域との接触部は、当該機能層(23,24)および/または機能領域の断面に少なくとも局所的にわたる直接的な接触部であり、
とりわけ、前記接触部は、前記機能層(23,24)および/または機能領域の断面全体にわたって分布する複数のコンタクト箇所を規則的および/または不規則的に配列したものである、
請求項1から6までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 前記第1および/または第2の機能層(23,24)および/または機能領域は、前記表側電極および/または裏側電極について表面積を拡大する機能を有し、
特に、前記第1および/または前記第2の機能層(23,24)および/または機能領域は、前記電解質(10)に対する気孔、開口部またはこれらに類する収容領域を有する、
請求項1から7までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 前記第1および/または前記第2の機能層(23,24)および/または機能領域は、前記表側電極(21)および/または前記裏側電極(22)における前記電解質(10)中の水の変換を触媒する機能を有し、
前記第1および/または前記第2の機能層(23,24)および/または機能領域は、特に触媒を担持する、
請求項1から8までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 前記表側電極(21)および/または前記裏側電極(22)の電極構造体により担持される触媒は、粒子状および/または固定化分子形態および/または中実層および/または多孔質層として形成されており、
とりわけ、前記触媒は1つまたは複数の活性成分と担持材料とを含む、
請求項1から9までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 前記表側電極(21)および/または裏側電極(22)の電極構造体により担持される触媒の活性成分は、遷移金属化合物をベースとするか、または、遷移金属化合物の混合物をベースとし、とりわけ、IV ないし XII 族の遷移元素の元素化合物を用いて形成されており、
とりわけ、前記活性成分は、Ti,V,Cr,Mo,W,Mn,Fe,Ru,Co,Ni,CuまたはZnを含む群から選択された元素をベースとする、
請求項1から10までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 前記表側電極(21)および/または前記裏側電極(22)の電極構造体により担持される触媒の担持材料は、II ないし IV 族の典型元素および/または IVb 族遷移元素の元素または元素化合物をベースとする材料であり、とりわけ、炭素材料をベースとして、および/または、Al,Si,Ti,Zrを含む群から選択された1つまたは複数の元素の酸化物または酸化物混合物をベースとして形成されており、
とりわけ、前記電解質(10)中の水の変換を行う機能層(23),(24)および/または機能領域は、炭素またはグラファイトをベースとする、
請求項1から11までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 前記電解質は、酸性の水溶液を、有利にはpH値が0.7〜6.9の間の酸性の水溶液を含み、
とりわけ、前記電解質は、0.01Mないし4MのH2SO4水溶液を、特に0.8Mないし1.2MのH2SO4水溶液を、有利には1MのH2SO4水溶液を含む、
請求項1から12までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 前記電解質は塩基性の水溶液を含み、
有利には、前記塩基性の水溶液のpH値は7.1〜14の間であり、
とりわけ、前記電解質はアルカリ金属水酸化物アルカリ液またはアルカリ土類金属水酸化物アルカリ液を含み、有利には苛性ソーダ、苛性カリまたは石灰水を含む、
請求項1から12までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 前記電解質は、硫酸または硝酸または有機酸のアルカリ金属塩ないしはアルカリ土類の溶液を、特にギ酸、酢酸、またはこれらのより高次の同族体ないしは混合物を含む、
請求項14記載の光電気化学セル(100)。 - 前記電解質は水溶液を含み、
前記水溶液のpH値は、有利には5〜8の間であり、
とりわけ、前記電解質は0.01Mないし1Mの溶液を含む、
請求項1から12までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 前記イオン交換膜(61)は、酸性または塩基性の固体高分子電解質膜(PEM)を含み、とりわけ、水素および酸素に対する気密性および/またはイオン移動度を向上した固体高分子電解質膜(PEM)を含む、
請求項1から16までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 前記光電層構造体(1)は、透光性および/または少なくとも部分的に導電性の表側層スタック(14)上の薄膜太陽電池セルとして設けられており、
とりわけ、基板(31)および/または前記表側層スタック(14)にテクスチャが施されている、
請求項1から17までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 透光性かつ導電性の表側層スタック(14)は、光学的に透明な導電層を含み、
前記光学的に透明な導電層は、たとえばITO(インジウム錫酸化物)、AZO(アルミニウムドープ酸化錫)、FTO(リンドープ酸化錫)または他のZnOもしくはTCO(透明導電性酸化物層)またはこれらに類する層であり、
とりわけ、透明基板(31)として、ガラス、ポリメチルメタクリレート(たとえばプレキシグラス)、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリレート、ポリオレフィン上に、または、導電性ポリマー(ICP)をベースとする透明ポリマー系基板上に、もしくはこれらの混合物上に、前記光学的に透明な導電層は設けられている、
請求項1から18までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 前記導電性かつ耐食性の結合層は、太陽電池セル(11)の、特にボトム太陽電池セル(52)の構造層と、電気化学的反応器(12)の表側電極(21)との間に直接、特に、当該太陽電池セル(11)のpin構造またはnip構造のn型ドープまたはp型ドープされた構造層と当該表側電極(21)との間に直接設けられている、
請求項1から19までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 前記導電性かつ耐食性の結合層は、パッシベーション層の形態であり、
および/または、
前記導電性かつ耐食性の結合層は、とりわけグラファイト、銀または特殊鋼もしくは他の耐電解質性の金属、伝導性の金属酸化物ないしは混合金属酸化物、または、金属窒化物および/またはこれらの合金をベースとした、導電層として設けられている、
請求項1から20までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 前記光電層構造体(1)は、たとえばタンデム型またはトリプル型太陽電池セル等の多接合型太陽電池セルを構成し、とりわけ、pin構造またはnip構造を用いた1つまたは複数の接合部を用いて形成されている、
請求項1から21までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 太陽電池セル(11)はSiベースおよび/またはSiGeベースで形成されており、および/または、‐たとえばGaAs,AlGaAsまたはGaInP系等の‐III-V 族半導体をベースとして形成されており、とりわけ、非晶質半導体材料を含むトップ太陽電池セル(51)と、微結晶半導体材料を含むボトム太陽電池セル(52)とが、有利にはSiおよび/またはSiGeを用いて、とりわけタンデム型またはトリプル型太陽電池セルを構成するように形成されている、
請求項1から22までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 前記光電層構造体(1)は、とりわけ、SiおよびGaAsのバンドギャップを上回るバンドギャップを有する半導体材料をベースとして、単一接合型太陽電池セルを構成し、とりわけ、III-V 族、II-VI 族または IV-IV 族半導体化合物をベースとして、有利にはGaP,ZnTe,CdSe,CdSまたはSiCをベースとして形成されている、
請求項1から23までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)。 - 請求項1から24までのいずれか1項記載の複数の光電気化学セル(100)を備えたシステムであって、
1つの光電気化学セル(100)の第1および/または第2の反応スペースは、他の光電気化学セルの、対応する別の第1および/または第2の反応スペースに、流体力学的に連通されている
ことを特徴とするシステム。 - とりわけ請求項1から24までのいずれか1項に記載の、光電層構造体(1)および電気化学層構造体(2)を1つの積層構成体(40)で備えた光電気化学セル(100)を用いて、特に水から、または水溶液をベースとする電解質から、水素と酸素とを光駆動により生成する方法であって、
前記積層構成体の表側にある前記光電層構造体(1)において、電解質(10)から影響を受けずに光を吸収して、電圧を生成し、
前記積層構成体の裏側の前記電気化学層構造体(2)は前記電解質を収容し、
前記積層構成体において、導電性かつ耐食性の結合層を介して、前記光電層構造体(1)と前記電気化学層構造体(2)とを相互に電気的にコンタクトし、
前記表側電極(21)の電極構造体と前記裏側電極(22)の電極構造体との間に、前記積層構成体においてイオン交換膜が配置されており、両電極構造体を介して前記電圧を前記電気化学層構造体(2)に印加し、
前記表側電極(21)の電極構造体および/または前記裏側電極(22)の電極構造体で、集積積層構成体として構成された前記積層構成体において当該表側電極(21)の電極構造体および/または当該裏側電極(22)の電極構造体に接触しているイオン交換膜により、前記電解質(10)を変換する
ことを特徴とする方法。 - とりわけ水から、または水溶液をベースとする他の電解質から、水素と酸素とを光駆動により生成するための、とりわけ請求項1から24までのいずれか1項記載の光電気化学セル(100)の製造方法であって、
光電層構造体(1)と電気化学層構造体(2)とを1つの積層構成体(40)に集積する、製造方法において、
前記電解質(10)に影響を受けずに光(3)を吸収するため、前記積層構成体の表側を成すように前記光電層構造体(1)を配置し、
前記積層構成体(40)の裏側を成すように、かつ電解質(10)を収容するため、前記電気化学層構造体(2)を設け、
導電性かつ耐食性の結合層を介して、前記光電層構造体(1)と前記電気化学層構造体(2)とを前記積層構成体において相互に電気的にコンタクトさせ、
前記電気化学層構造体(2)は、表側電極(21)の電極構造体と裏側電極(22)の電極構造体とを有し、
集積化した1つの積層構成体(40)を成すように、前記表側電極(21)および/または前記裏側電極(22)の、前記電解質(10)中の水を変換するための電極構造体にイオン交換膜を接触させて、両電極構造体間に、前記積層構成体において当該イオン交換膜を配置する
ことを特徴とする、製造方法。
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