JP2019116681A - 光電気化学的水分解 - Google Patents

Abstract

【課題】光電気化学的（ＰＥＣ）水分解プロセスは、電解質溶液中に配置された半導体電極を含む。半導体電極は、太陽エネルギーを化学エネルギーに直接変換して水を解離させるために設けられる。水分解を効果的かつ効率的に行うための電極、及び該電極を備えたＰＥＣモジュールを提供する。【解決手段】電極は、基板を含む。電極はまた、基板上に配置された第１の導電層を含む。第１の導電層は、酸化インジウムスズおよびフッ素ドープ酸化スズのうちの少なくとも一方で形成される。電極は、第１の導電層上に配置された少なくとも１つの半導体層を含む。【選択図】図１ａ

Description

本発明は、水分解に関し、詳細には、光電気化学的（ＰＥＣ：Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ）水分解を行うためのＰＥＣモジュールおよび方法に関する。

水分解とは、水を酸素と水素とに解離させる化学反応を意味する。現在のところ、水を解離させて水素ガスを生成するために、光電気化学的（ＰＥＣ）水分解などのプロセスが用いられている。ＰＥＣ水分解プロセスは、電解質溶液中に配置された半導体電極を含む。半導体電極は、太陽エネルギーを化学エネルギーに直接変換して水を解離させるために設けられる。具体的には、半導体電極は、太陽エネルギーを電子正孔対に変換して、水分解のための酸化還元反応を行う。

一般に、半導体電極は、広帯域半導体材料または狭帯域半導体材料で作ることができる。広帯域半導体材料を含む半導体電極は、外部電圧源からの補助を伴わずに、太陽エネルギーの存在下で水分解を行うことが可能である。しかし、広帯域半導体材料は、水分解を行うのに太陽スペクトルの大部分を利用することができない。

さらに、狭帯域半導体材料を含む半導体電極は、太陽スペクトルの大部分を利用することができる。しかし、狭帯域半導体材料は、水分解に必要とされる十分な電圧を生成することができない。したがって、狭帯域半導体材料を含む半導体電極は、水分解を行うために、十分な電圧を提供する外部電圧源を必要とする。さらに、シリコンおよびＩＩＩ−Ｖ族半導体（アルミニウム、ガリウム、ヒ化物、等）などの様々な高効率材料を、半導体電極に使用することができる。しかし、そのような高効率材料は、強電解質などの電解質中では不安定であるため、半導体電極でそのような高効率材料が使用される。したがって、水分解を効果的かつ効率的に行うには、半導体電極の幾何学的なスケールアップ（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｓｃａｌｅ−ｕｐ）が必要である。

しかしながら、抵抗損失のため、半導体電極の幾何学的なスケールアップは適切ではない。具体的には、半導体電極は、導電材料で作られた基板を含む。一般に、そのような導電材料はシート抵抗が高く、半導体電極のサイズが増大すると、抵抗損失が増大する。さらに、半導体電極における抵抗損失は、半導体電極による太陽スペクトルから利用される電流の流れを減少させる可能性がある。

特許文献１は、光起電力モジュールから水解離のためのエネルギーが主として得られる、電解質中に浸漬された水素製造のための大規模なシステムを開示している。特許文献１は、太陽光を利用した水の解離（光電気分解）から水素を生成するための装置を開示している。システムは、解離させる水を保持するように機能し、また、集光レンズとしても機能する水性流体で満たされた容器を利用する。流体で満たされた容器からの屈折光を最も効率的に受け取る位置に、光起電力モジュールが配置される。光起電力モジュールに接続される対の電極が流体内に配置され、水を水素と酸素に分けるように構成される。しかし、特許文献１で開示されている光起電力モジュールは、解離させる水に沈められたときに不安定になる。

特許文献２には、統合型の光起電力−光電気化学的デバイスが開示されている。特許文献２は、ダイオードと複数の別個の光電陰極とをそれぞれが備える光起電力−光電気化学的デバイスを開示している。デバイスは容器内に配置され、この容器内でデバイスが少なくとも部分的に電解質に浸されることが好ましい。デバイスは、少なくとも１つの光電陰極反応生成物通気口と少なくとも１つの陽極反応生成物通気口とを有する容器内に配置されることが好ましい。デバイスは、容器の上部から容器の底部に向かって延在するが容器の底部には到達しない内部部分壁を有する容器内に配置され、この内部部分壁は、光電陰極要素とダイオードのｐ型領域に電気的に接続される陽極要素との間に配置されることが好ましい。しかし、これは、水分解のためのデバイスの製作のために、複雑な工程を必要とする。

米国特許第７，４５９，０６５号明細書 米国特許出願公開第２００４／０００３８３７号明細書

本開示の一実施形態では、電極が提供される。電極は、基板を含む。電極はまた、基板上に配置された第１の導電層を含む。第１の導電層は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）およびフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ：Ｆｌｕｏｒｉｎｅ−ｄｏｐｅｄ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）のうちの少なくとも一方で形成される。電極は、第１の導電層上に配置された少なくとも１つの半導体層を含む。さらに、電極は、第１の電動層全体にわたって分布された少なくとも１つのコネクタを含む。少なくとも１つのコネクタは、電極からの電流を伝導するように適合される。

本開示の別の実施形態では、水分解を行うための光電気化学的（ＰＥＣ）モジュールが開示される。ＰＥＣモジュールは、基板、および基板上に配置された複数の電極を含む。複数の電極のそれぞれは、基板上に配置された第１の導電層を含む。さらに、複数の電極のそれぞれは、第１の導電層上に配置された少なくとも１つの半導体層を含む。ＰＥＣモジュールは、複数の電極を接続するように適合された少なくとも１つのコネクタを含む。さらに、少なくとも１つのコネクタは、複数の電極のそれぞれからの電流を伝導するように適合される。

本開示のさらに別の実施形態では、光電気化学的（ＰＥＣ）水分解を行う方法が開示される。方法は、ＰＥＣモジュールの複数の電極により太陽スペクトルの一部を受け取るステップを含む。方法は、太陽スペクトルの一部を電流に変換するステップを含む。複数の電極のそれぞれは、基板、および基板上に配置された第１の導電層を含む。さらに、複数の電極のそれぞれは、第１の導電層上に配置された少なくとも１つの半導体層を含む。複数の電極のそれぞれは、第１の導電層全体にわたって分布された少なくとも１つのコネクタを含む。さらに、方法は、少なくとも１つのコネクタにより太陽スペクトルの一部に基づく電流を伝導するステップを含む。方法は、ＰＥＣモジュールにより電流に基づく水分解を行うステップを含む。

本発明の利点および特徴をさらに明確にするために、添付の図面に例示されている本発明の特定の実施形態を参照することにより、本発明のより詳細な説明を行う。これらの図面は、単に本発明の典型的な実施形態を示すものであり、本発明の範囲を限定するものと見なされるべきではないことが理解される。本発明は、添付の図面とともにさらなる特異性および詳細を含んで記述および説明される。

本発明の上記その他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことでより理解されるであろう。図面を通して、同じ文字は同じ部品を表す。

本開示の一実施形態による光電気化学的（ＰＥＣ）水分解を行うためのシステムの概略図である。 本開示の一実施形態によるシステムの等角図である。 本開示の一実施形態によるシステムの別の等角図である。 本開示の一実施形態によるシステムのさらに別の等角図である。 本開示の一実施形態によるシステムの別の等角図である。 本開示の一実施形態によるシステムの膜組立体の様々な図である。 本開示の一実施形態によるシステムの対電極の等角図である。 本開示の一実施形態によるシステムのＰＥＣモジュールの概略図である。 本開示の一実施形態によるＰＥＣモジュールの電極の概略図である。 本開示の一実施形態による図３ａの軸Ｘ−Ｘ’に沿った電極の断面図である。 本開示の一実施形態による図３ａの軸Ｙ−Ｙ’に沿った電極の断面図である。 本開示の別の実施形態によるＰＥＣモジュールの電極の概略図である。 本開示のさらに別の実施形態によるＰＥＣモジュールの電極の概略図である。 本開示の一実施形態によるＰＥＣ水分解を行う方法を表すフローチャートである。

さらに、当業者は、図面中の要素は簡潔さのために示されたものであって、必ずしも一定の縮尺で描かれていない可能性があることを理解するであろう。例えば、フローチャートは、本発明の態様の理解の向上を促すために、関係する最も顕著なステップの観点から方法を示している。さらに、デバイスの構成に関して、デバイスの１つまたは複数の構成要素は、図面において慣習的な記号によって表されている場合がある。また、図面は、本明細書の記述の便益を有する当業者には容易に明らかになる詳細が、図面において不明瞭となることがないように、本発明の実施形態の理解に関連する特定の詳細のみを示す場合がある。

次に、本発明の原理の理解を促進するために、図面に示された実施形態を参照し、その実施形態を説明するために、特定の文言が使用される。それでもなお、そのような文言により本発明の範囲が限定されることは意図されておらず、本発明が関係する当業者には普通に思い浮かぶような例示されたシステムにおける変更およびさらなる修正ならびに図面に示された本発明の原理のさらなる適用が意図されていることが理解されるであろう。特に定められていない限り、本明細書において使用されるあらゆる技術用語および科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書において提供されるシステム、方法、および例は、単に説明に役立つものにすぎず、限定的なものとして意図されていない。

本発明の実施形態を添付の図面を参照して以下に詳述する。

図１ａは、本開示の一実施形態による光電気化学的（ＰＥＣ）水分解を行うためのシステム１００の概略図を示す。図１ｂ、１ｃ、１ｄ、および１ｅは、本開示の実施形態によるシステム１００の等角図を示す。図１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、および１ｅを参照すると、システム１００は、ＰＥＣ水分解を行って水素ガスおよび酸素ガスを生成するように適合されている。システム１００は、貯槽１０２、および貯槽１０２と連通する複数の区画を含む。一実施形態では、複数の区画は、第１の区画１０４および第２の区画１０６を含む。第１の区画１０４は、第２の区画１０６と流体連通している。一実施形態では、第１の区画１０４および第２の区画１０６は、水漏れしない回転継手１０８を介して互いに接続されるか、または、本開示の範囲から逸脱することなく、当技術分野で知られている任意の他の適切な機構を介して互いに接続することができる。

図１ｆを参照すると、一実施形態では、第１の区画１０４および第２の区画１０６は、膜１０７を介して流体連通している。膜１０７は、第１の区画１０４と第２の区画１０６との間での気体の流れを妨げるように適合されている。１つの例では、膜１０７は、ナフィオン膜などのプロトン交換膜である。さらに、膜１０７は、膜ホルダ１０９を介してシステム１００内に配置されている。膜ホルダ１０９は、穴を備えることができ、シリコンＯリングを介して第１の区画１０４と第２の区画１０６との間に配置することができる。膜１０７および膜ホルダ１０９は、本開示の範囲から逸脱することなく、ひとまとめに膜組立体と呼ばれる。

さらに、貯槽１０２は、第２の区画１０６と流体連通している。貯槽１０２は、電解質溶液１１０を貯蔵するように、また、第１の区画１０４および第２の区画１０６内の電解質溶液１１０の液位を維持するように、適合されている。一実施形態では、電解質溶液１１０は、水性の電解質溶液または当技術分野で知られている任意の他の水溶液のうちの１種として、本開示の範囲から逸脱することなく具現化することができる。

第２の区画１０６は、貯槽１０２から電解質溶液１１０を受け取るように適合されている。第２の区画１０６は、第２の通気口１１４を含んでおり、第２の区画１０６からの気体の流れを可能にする。

図１ａ〜１ｇを参照すると、システム１００は、第１の区画１０４内に配置されたＰＥＣモジュール１１６と、および第２の区画１０６内に配置された（図１ｇに示されるような）対電極１１８とを含んでいる。ＰＥＣモジュール１１６は、対電極１１８と連絡している。一実施形態では、ＰＥＣモジュール１１６は、コネクタ１２０を介して対電極１１８と連絡している。一例では、コネクタ１２０は、金属コネクタとして具現化される。コネクタ１２０は、ＰＥＣモジュール１１６と対電極１１８との間で電流を伝導するように適合されている。一実施形態では、対電極１１８は、白金またはニッケルで形成される。

ＰＥＣモジュール１１６は、太陽スペクトルの一部１２２を受け取るように適合されている。一実施形態では、ＰＥＣモジュール１１６は、第１の区画１０４に形成された石英窓（図示せず）を通じて太陽スペクトルの一部１２２を受け取ることができる。さらに、ＰＥＣモジュール１１６は、太陽スペクトルの一部１２２を変換して電解質溶液１１０を解離させるための電気エネルギーにするように適合されている。ＰＥＣモジュール１１６の構成上および動作上の詳細は、本開示の図２に関する記述において詳細に説明される。

図２は、本開示の一実施形態によるシステム１００のＰＥＣモジュール１１６の概略図を示す。ＰＥＣモジュール１１６は、基板２０２、および基板２０２上に配置された複数の電極２０４を含む。複数の電極２０４は、本開示の範囲から逸脱することなく、互換的に作用電極２０４と呼ばれる。

一実施形態では、作用電極２０４は、基板２０２上に行列（ｍ×ｎ）の形で配置されている。そのような実施形態では、用語「ｍ」および「ｎ」は、行列の列および行に沿って配置された複数の作用電極２０４をそれぞれ表す。一実施形態では、ＰＥＣモジュール１１６は、複数の電極２０４を接続しまた複数の電極２０４のそれぞれから電流を伝導するように適合された、コネクタ１２０などの少なくとも１つのコネクタを含む。一実施形態では、作用電極２０４は、コネクタ１２０を介して互いに電気的に接続される。より具体的には、作用電極２０４は、コネクタ１２０を介して対電極１１８に電気的に接続されている。作用電極２０４のそれぞれの構成上および動作上の詳細は、図３ａ、図３ｂ、図３ｃ、図４、および図５に関する記述において詳細に説明される。

図１ａ〜１ｇ、および図２を参照すると、ＰＥＣモジュール１１６は、電解質溶液１１０を解離させて気体を生成するように適合されている。より具体的には、ＰＥＣモジュール１１６の作用電極２０４は、電流を発生させるため、および、気体を生成するために、電解質溶液１１０を解離させることができる。太陽スペクトルの一部１２２を受け取ると、ＰＥＣモジュール１１６は、電解質溶液１１０での酸化反応または還元反応のどちらかを開始することにより、電解質溶液１１０を解離させて気体を生成することができる。

１つの実施形態では、ＰＥＣモジュール１１６は、第１の区画１０４内で電解質溶液１１０を解離させて酸素を生成することができる。より具体的には、ＰＥＣモジュール１１６の作用電極２０４のそれぞれは、下記の式（１）によって示される酸化反応を開始することにより、第１の区画１０４内で電解質溶液１１０を解離させて、酸素を生成することができる：
Ｈ_２Ｏ＋２Ｈ^＋→２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２↑−−−−（１）。

そのような実施形態では、ＰＥＣモジュール１１６はまた、太陽スペクトルの一部１２２を受け取ると、電流を発生させることができる。対電極１１８は、コネクタ１２０を介してＰＥＣモジュール１１６から電流を受け取ることができる。電流を受け取ると、対電極１１８は、電解質溶液１１０での酸化反応または還元反応のどちらかを開始することにより、第２の区画１０６内で電解質溶液１１０を解離させて気体を生成することができる。対電極１１８は、下記の式（２）によって示されるように、第２の区画１０６内で電解質溶液１１０を解離させて水素を生成することができる：
２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２↑−−−−（２）。

別の実施形態では、ＰＥＣモジュール１１６は、第１の区画１０４内で電解質溶液１１０を解離させて水素を生成することができる。より具体的には、ＰＥＣモジュール１１６の作用電極２０４のそれぞれは、下記の式（３）によって示される還元反応を開始することにより、第１の区画１０４内で電解質溶液１１０を解離させて、水素を生成することができる：
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→２ＯＨ^＋＋Ｈ_２↑−−−−（３）。

そのような実施形態では、対電極１１８は、電解質溶液１１０を解離させて、第２の区画１０６内で酸素を生成することができる。

図１ａ〜１ｅを再度参照すると、一実施形態では、システム１００は、ＰＥＣモジュール１１６および対電極１１８と連絡する光起電力モジュール１２４を含む。光起電力モジュール１２４は、太陽スペクトルの一部１２６を吸収して電流を発生させるように適合されている。光起電力モジュール１２４は、ＰＥＣモジュール１１６によって受け取られた太陽スペクトルの一部１２２に加えて、コネクタ１２０を介してＰＥＣモジュール１１６にさらなるバイアスを提供するように適合されている。

一実施形態では、システム１００はまた、光起電力モジュール１２４と連絡するチャージ・コントローラ１２６、チャージ・コントローラ１２６と連絡する少なくとも１つの電池１２８と、少なくとも１つの電池１２８と連絡する電源ユニット１３０とを含む。チャージ・コントローラ１２６は、少なくとも１つの電池１２８の充電速度および放電速度を制御するように適合されている。一実施形態では、チャージ・コントローラ１２６は、光起電力モジュール１２４から少なくとも１つの電池１２８への電流の流れを制御して、少なくとも１つの電池１２８の過充電を防止することができる。さらに、電源ユニット１３０は、少なくとも１つの電池からの電流を所望の出力電圧でＰＥＣモジュール１１６に提供するように適合されている。

簡潔かつ、より良好な理解のために、本開示では、ＰＥＣモジュール１１６の１つの作用電極のみを説明している。当業者には理解されるように、１つの作用電極に関する記述は、本開示の範囲から逸脱することなく、ＰＥＣモジュール１１６の他の作用電極にも等しく適用される。

図３ａは、本開示の一実施形態によるＰＥＣモジュール１１６の作用電極３００の概略図を示す。図３ｂは、本開示の一実施形態による図３ａの軸Ｘ−Ｘ’に沿った作用電極３００の断面図を示す。図３Ｃは、本開示の一実施形態による、図３ａの軸Ｙ−Ｙ’に沿った作用電極３００の断面図を示す。

図３ａ、３ｂ、および３ｃを参照すると、作用電極３００は、基板３０２、基板３０２上に配置された第１の導電層３０４、および第１の導電層３０４上に配置されたコネクタ１２０などのコネクタを含む。１つの例では、基板３０２は、ガラス基板として具現化されている。一実施形態では、第１の導電層３０４は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）およびフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）のうちの少なくとも一方で形成されている。

コネクタ１２０は、第１の導電層３０４全体にわたって分布している。一実施形態では、コネクタ１２０は、金属コネクタとして具現化されている。コネクタ１２０は、作用電極３００からの電流を伝導するように適合されている。コネクタ１２０は、第２の導電層３０６を介して第１の導電層３０４に付着されている。第２の導電層３０６は、第１の導電層３０４上に配置されている。

より具体的には、第２の導電層３０６は、コネクタ１２０を第１の導電層３０４上に付着させるために、第１の導電層３０４上に配置されている。１つの例では、第２の導電層３０６は、銀塗料として具現化されている。別の例では、第２の導電層３０６は、本開示の範囲から逸脱することなく、当技術分野で知られている任意の他の導電接着剤として具現化することができる。さらに、作用電極３００は、コネクタ１２０と第１の導電層３０４との間にオーム接点を含む。一実施形態では、オーム接点は、第２の導電層３０６を介してコネクタ１２０を第１の導電層３０４に結合することによって形成されている。第１の導電層３０４とコネクタ１２０との間のオーム接点は、コネクタ１２０への電荷担体の流れを可能にする。

さらに、作用電極３００は、基板３０２上に配置された半導体層３０８を含む。一実施形態では、半導体層３０８は、第１の導電層３０４上に配置されている。半導体層３０８は、光活性半導体材料で形成されている。一例では、光活性半導体材料は、ｎ型半導体およびｐ型半導体のうちの一方である。１つの例では、光活性半導体材料は、ｎ型半導体として具現化される。そのような例では、作用電極３００は、第１の区画１０４内で電解質溶液１１０を解離させて、水素ガスを生成することができる。別の例では、光活性半導体材料は、ｐ型半導体として具現化される。そのような例では、作用電極３００は、第１の区画１０４内で電解質溶液１１０を解離させて、酸素ガスを生成することができる。

一実施形態では、半導体層３０８は、薄膜半導体材料として具現化されている。半導体層３０８は、本開示の範囲から逸脱することなく、当技術分野で知られている様々な堆積技法を使用することにより、基板３０２上に堆積することができる。様々な堆積技法には、物理蒸気堆積（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、化学蒸気堆積（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、原子層堆積、電着、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、および噴霧熱分解が含まれるが、これらに限定されない。

１つの実施形態では、第１の導電層３０４の複数の部分が、第１の導電層３０４で被覆された基板３０２上への半導体層３０８の堆積に先立ってマスクされる。具体的には、複数の部分は、コネクタ１２０と第１の導電層３０４で被覆された基板３０２との間にオーム接点を形成するために、第１の導電層３０４上でマスクされる。別の実施形態では、第１の導電層３０４の複数の部分は、基板３０２上への半導体層３０８の堆積の後でマスクされる。具体的には、複数の部分は、電解質溶液１１０と半導体層３０８との間でのオーム接点を介した接合の短絡を防ぐために、マスクされる。

一実施形態では、半導体層３０８は、太陽スペクトルの一部１２２を受け取って電荷担体を発生させるように適合されている。電荷担体は、第１の導電層３０４に付着されたコネクタ１２０によって集められて、半導体層３０８と接触する。コネクタ１２０によって集められた電荷担体は、電流を発生させることができ、この電流は、コネクタ１２０を通じて対電極１１８にさらに供給される。

さらに、作用電極３００は、コネクタ１２０を遮蔽するための絶縁層３１０を含む。絶縁層３１０は、作用電極上のコネクタ１２０を電解質溶液１１０から遮蔽するために設けられている。一実施形態では、絶縁層３１０は、コネクタ１２０に堆積される。絶縁層３１０は、本開示の範囲から逸脱することなく、エポキシ樹脂、または当技術分野で知られている任意の他の絶縁材料として具現化することができる。さらに、絶縁層３１０は、電解質溶液１１０にさらされる第１の導電層３０４の部分を遮蔽するために設けられている。

図４は、本開示の別の実施形態によるＰＥＣモジュール１１６の作用電極４００の概略図を示す。図３ａ〜３ｃの作用電極３００と同様に、作用電極４００は、基板３０２、基板３０２上に配置された第１の導電層３０４、第１の導電層３０４上に配置された半導体層３０８、第２の導電層３０６、および絶縁層３１０を含む。

しかし、この実施形態の作用電極４００は、第１の導電層３０４上に配置された対のコネクタ４０２を含む。対のコネクタ４０２は、第２の導電層３０６を介して基板３０２に付着される。１つの例では、第２の導電層３０６は、銀塗料として具現化されている。別の例では、第２の導電層３０６は、本開示の範囲から逸脱することなく、当技術分野で知られている任意の他の導電接着剤として具現化することができる。一実施形態では、対のコネクタ４０２のそれぞれは、第２の導電層３０６を介して、基板３０２の長さ「Ｌ」に沿って基板３０２のエッジ部分上に付着される。一実施形態では、作用電極４００上に配置された対のコネクタ４０２は、システム１００のコネクタ１２０に接続される。

さらに、作用電極４００は、対のコネクタ４０２と第１の導電層３０４との間に対のオーム接点を含む。一実施形態では、対のオーム接点のそれぞれは、第２の導電層３０６を介して対のコネクタ４０２のそれぞれを第１の導電層３０４に結合することによって形成されている。第１の導電層３０４と対のコネクタ４０２との間の対のオーム接点は、半導体層３０８から対のコネクタ４０２への電荷担体の流れを可能にする。対のコネクタ４０２によって集められた電荷担体は、電流を発生させることができ、この電流は、コネクタ１２０を通じて対電極１１８にさらに供給される。

図５は、本開示のさらに別の実施形態によるＰＥＣモジュール１１６の作用電極５００の概略図を示す。作用電極３００および４００と同様に、作用電極５００は、基板３０２、基板３０２上に配置された第１の導電層３０４、および絶縁層３１０を含む。作用電極５００は、長さ「Ｌ」および幅「Ｗ」を有している。作用電極５００の幅「Ｗ」は、本開示の範囲から逸脱することなく、互換的に第１の幅「Ｗ」と呼ぶことができる。

しかし、この実施形態の作用電極５００は、複数の半導体層５０２、および複数のコネクタ５０４を含む。作用電極５００は、複数の半導体層５０２のパターン化された堆積を含む。複数の半導体層５０２のそれぞれは、第１の導電層３０４上に隣接して配置されている。より具体的には、複数の半導体層５０２のそれぞれは、複数のオーム接点を形成するために第１の導電層３０４の複数の部分をマスクすることにより、第１の導電層３０４で被覆された基板３０２上に堆積される。

さらに、複数の半導体層５０２のそれぞれは、第２の幅Ｗ１などの幅、および長さＬを有している。第２の幅「Ｗ１」の値は、作用電極５００に関連する第１のパラメータのセットに基づいて選択される。第１のパラメータのセットには、作用電極５００に関連する抵抗損失の値が含まれるが、これに限定されない。一実施形態では、第２の幅「Ｗ１」の最大値は、抵抗損失に応じて一定に保たれる。第２の幅「Ｗ１」は、基板３０２の第１の幅「Ｗ］よりも小さい。一実施形態では、作用電極５００の第１の幅「Ｗ］の値は、作用電極５００の基板３０２上に堆積される複数の半導体層５０２に基づいて選択される。さらに、作用電極５００の長さ「Ｌ］は、第２のパラメータのセットに基づいて選択される。第２のパラメータのセットには、システム１００に関連する寸法パラメータのセット、およびシステム１００に関連する動作パラメータのセットが含まれるが、これらに限定されない。

さらに、作用電極５００は、複数のコネクタ５０４と第１の導電層３０４との間に複数のオーム接点を含む。一実施形態では、オーム接点のそれぞれは、第２の導電層３０６を介して複数のコネクタ５０４のそれぞれを第１の導電層３０４に結合することによって形成される。第１の導電層３０４と複数のコネクタ５０４との間の複数のオーム接点は、複数の半導体層５０２から複数のコネクタ５０４への電荷担体の流れを可能にする。複数のコネクタ５０４によって集められた電荷担体は、電流を発生させることができ、この電流は、コネクタ１２０を通じて対電極１１８にさらに供給される。

さらに、作用電極５００は、第１の導電層３０４全体にわたって分布された複数のコネクタ５０４を含む。複数のコネクタ５０４のそれぞれは、複数の半導体層５０２のそれぞれの第２の幅「Ｗ１」に等しい距離を置いて配置されている。基板３０２上での複数のコネクタ５０４および複数の半導体層５０２のそのような配置は、複数の半導体層５０２から複数のコネクタ５０４への電荷担体の流れに関連する損失抵抗を低減させることができる。例えば、太陽スペクトルの一部１２２を受け取ると、複数の半導体層５０２のそれぞれは、電荷担体を発生させることができる。複数のコネクタ５０４のそれぞれは第２の幅「Ｗ１」に等しい距離を置いて付着されていると、半導体層５０２のそれぞれから複数のコネクタ５０４のそれぞれへ電荷担体が移動する距離が短縮される。したがって、電荷担体の流れに関連する抵抗損失は、実質的に除去される。

図６は、本開示の一実施形態によるＰＥＣ水分解を行う方法６００を表すフローチャートを示す。簡潔のために、図１ａ〜１ｇ、図２、図３ａ〜３ｃ、図４、および図５に関する記述においてすでに詳細に説明されたシステム１００の特徴は、図６に関する記述では詳細に説明されない。

ブロック６０２は、方法６００は、ＰＥＣモジュール１１６の複数の電極３００、４００、５００により太陽スペクトルの一部１２２を受け取るステップを含む。ＰＥＣモジュール１１６は、電解質溶液１１０で満たされた第１の区画１０４内に配置されている。ブロック６０４は、方法６００は、複数の電極３００、４００、５００により太陽スペクトルの一部１２２を電流に変換するステップを含む。複数の電極３００、４００、５００のそれぞれは、基板３０２、および基板３０２上に配置された第１の導電層３０４を含む。さらに、複数の電極３００、４００、５００は、第１の導電層３０４上に配置された少なくとも１つの半導体層３０８、５０２、および第１の導電層３０４全体にわたって分布された少なくとも１つのコネクタ１２０、４０２、５０４を含む。少なくとも１つの半導体層３０８、５０２は、太陽スペクトルの一部１２２を受け取ると、電荷担体を発生させて電流を生じさせることができる。

ブロック６０６は、方法６００は、少なくとも１つのコネクタ１２０、４０２、５０４により太陽スペクトルの一部１２２に基づく電流を伝導するステップを含む。少なくとも１つのコネクタ１２０、４０２、５０４は、第２の導電層３０６を介して基板３０２の第１の導電層３０４に付着されている。少なくとも１つのコネクタ１２０、４０２、５０４は、少なくとも１つの半導体層３０８、５０２から電荷担体を受け取ることができる。ブロック６０８は、方法６００は、ＰＥＣモジュール１１６により電流に基づく水分解を行うステップを含む。太陽スペクトルの一部１２２を受け取ると、ＰＥＣモジュール１１６は、電解質溶液１１０での酸化反応または還元反応のどちらかを開始することにより、電解質溶液１１０を解離させて気体を生成することができる。

推測されるように、本開示は、作用電極３００、４００、５００、ＰＥＣモジュール１１６、および水分解を行う方法６００を提供する。作用電極３００、４００、５００は、基板３０２上での複数の半導体層５０２のパターン化された堆積を備えている。より具体的には、複数の半導体層５０２のそれぞれは、基板３０２の第１の導電層３０４上に隣接して配置される。さらに、作用電極３００、４００、５００は、基板３０２の複数のコネクタ５０４と第１の導電層３０４との間に形成された複数のオーム接点を含む。複数のオーム接点、および複数の半導体層５０２のパターン化された配置により、作用電極３００、４００、５００は、一様なポテンシャル分布と、抵抗損失の実質的な低減とを提供することができる。

さらに、本開示のＰＥＣモジュール１１６は、複数の作用電極３００、４００、５００を含む。より具体的には、複数の作用電極３００、４００、５００は、ＰＥＣモジュール１１６の基板３０２上に分布されている。複数の作用電極３００、４００、５００は、コネクタ５０４を介して互いに電気的に接続される。複数の作用電極５００のそれぞれは、太陽スペクトルの一部１２２を受け取り、それにより電荷担体を発生させ、電解質溶液１１０を解離させるように適合されている。ＰＥＣモジュール１１６内の複数の作用電極３００、４００、５００により、ＰＥＣモジュール１１６は、電解質溶液１１０を解離させて気体を発生させるために光起電力モジュール１２４が追加のバイアスを提供する必要性を排除する。ＰＥＣモジュール１１６内の複数の電極により、水分解は、単一の作用電極の幾何学的なスケールアップの必要性を少しも伴わずに、効果的かつ効率的に行われる。したがって、幾何学的なスケールアップの必要性を排除することにより、作用電極の幾何学的なスケールアップに関連する抵抗損失が起こる可能性が排除される。したがって、本開示は、水分解を行うのに効果的で経済的で柔軟性があり、効率的な、電極３００、４００、５００、ＰＥＣモジュール１１６、および方法６００を提供する。

本発明の主題を説明するために特定の文言が使用されたが、それらの文言を理由として生じるいかなる限定も意図されていない。当業者には明らかなように、本明細書において教示された本発明の概念を実施するために、本方法に、様々な実用的な修正を加えることができる。図面および前述の説明は、実施形態の例を示している。説明された要素のうちの１つまたは複数が単一の機能要素に組み合わせてもよいことを当業者は理解するであろう。あるいは、いくつかの要素を複数の機能要素に分割することができる。１つの実施形態の要素を、別の実施形態に追加することができる。

Claims (9)

1. 基板（３０２）と、
   該基板（３０２）上に配置され、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）およびフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）のうちの少なくとも一方で形成された、第１の導電層（３０４）と、
   該第１の導電層（３０４）上に配置された少なくとも１つの半導体層（３０８、５０２）と、
   前記第１の導電層（３０４）全体にわたって分布され、前記電極（３００、４００、５００）からの電流を伝導するように適合された、少なくとも１つのコネクタ（１２０、４０２、５０４）と、を備える、電極（３００、４００、５００）。
2. 前記第１の導電層（３０４）上に配置された第２の導電層（３０６）をさらに備え、
   該第２の導電層（３０６）が、前記第１の導電層（３０４）上の前記少なくとも１つのコネクタ（１２０、４０２、５０４）に付着するように適合される、請求項１に記載の電極（３００、４００、５００）。
3. 前記第１の導電層（３０４）上に配置された複数の半導体層（５０２）をさらに備え、
   該複数の半導体層（５０２）が、前記第１の導電層（３０４）上に互いに隣接して配置される、請求項１に記載の電極（３００、４００、５００）。
4. 前記第１の導電層（３０４）全体にわたって分布された複数のコネクタ（４０２、５０４）をさらに備え、
   該複数のコネクタ（４０２、５０４）のそれぞれが、前記少なくとも１つの半導体層（３０８、５０２）と接触する、請求項１に記載の電極（３００、４００、５００）。
5. 前記複数のコネクタ（４０２、５０４）のそれぞれの上に堆積された絶縁層（３１０）をさらに備える、請求項４に記載の電極（３００、４００、５００）。
6. 前記少なくとも１つの半導体層（３０８、５０２）が、光活性材料で形成される、請求項１に記載の電極（３００、４００、５００）。
7. 基板（３０２）と、
   該基板（３０２）上に配置された複数の電極（３００、４００、５００）と、
   該複数の電極を接続するように適合され、前記複数の電極（３００、４００、５００）のそれぞれからの電流を伝導するように適合された、少なくとも１つのコネクタ（１２０、４０２、５０４）と、を備え、
   前記複数の電極（３００、４００、５００）のそれぞれが、
   前記基板（３０２）上に配置された第１の導電層（３０４）と、
   該第１の導電層（３０４）上に配置された少なくとも１つの半導体層（３０８、５０２）と、を含む、水分解を行うための光電気化学的（ＰＥＣ）モジュール（１１６）。
8. 前記基板（３０２）上の前記少なくとも１つのコネクタ（１２０、４０２、５０４）に付着するように適合された第２の導電層（３０６）を備える、請求項７に記載のＰＥＣモジュール（１１６）。
9. ＰＥＣモジュール（１１６）の複数の電極（３００、４００、５００）により太陽スペクトルの一部を受け取るステップと、
   前記複数の電極（３００、４００、５００）により前記太陽スペクトルの一部を電流に変換するステップと、
   前記少なくとも１つのコネクタ（１２０、４０２、５０４）により前記太陽スペクトルの一部に基づく前記電流を伝導するステップと、
   前記ＰＥＣモジュール（１１６）により前記電流に基づいて水分解を行うステップと、を含み、
   前記複数の電極（３００、４００、５００）のそれぞれが、
   基板（３０２）と、
   該基板（３０２）上に配置された第１の導電層（３０４）と、
   該第１の導電層（３０４）上に配置された少なくとも１つの半導体層（３０８、５０２）と、
   前記第１の導電層（３０４）全体にわたって分布された少なくとも１つのコネクタ（１２０、４０２、５０４）と、を含む、光電気化学的（ＰＥＣ）水分解を行う方法（６００）。