JP6302038B2 - Photochemical reaction system - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、光化学反応システムに関する。   Embodiments of the present invention relate to a photochemical reaction system.

エネルギー問題や環境問題の観点から、植物のように光エネルギーによってCOを効率よく還元することが求められている。植物は、Zスキームと呼ばれる光エネルギーを2段階で励起するシステムを用いる。このようなシステムの光化学反応によって、植物は水(HO)から電子を得て二酸化炭素(CO)を還元してセルロースや糖類を合成している。 From the viewpoint of energy problems and environmental problems, it is required to efficiently reduce CO 2 by light energy like plants. Plants use a system that excites light energy in two stages, called the Z scheme. By the photochemical reaction of such a system, plants obtain electrons from water (H 2 O) and reduce carbon dioxide (CO 2 ) to synthesize cellulose and saccharides.

しかしながら、人工的に光化学反応によって犠牲試薬を用いずに水から電子を得てCOを分解する技術は非常に効率が低いものしかない。 However, the technique of decomposing CO 2 by obtaining electrons from water without using a sacrificial reagent by an artificial photochemical reaction has only very low efficiency.

例えば特許文献1には、光化学反応装置として、HOを酸化して酸素(O)を生成する酸化反応用電極と、COを還元して炭素化合物を生成する還元反応用電極とを備える。酸化反応用電極は、光触媒の表面にHOを酸化する酸化触媒を設け、光エネルギーによって電位を得る。還元反応用電極は、光触媒の表面にCOを還元する還元触媒を設け、酸化反応用電極と電線で接続される。還元反応用電極は、酸化反応用電極からCOの還元電位を得ることで、COを還元してギ酸(HCOOH)を生成する。このように、可視光を用いて光触媒でCOの還元を行うために必要な電位を得るために、植物を模倣したZスキーム型の人工光合成システムを用いている。 For example, Patent Document 1 discloses, as a photochemical reaction device, an oxidation reaction electrode that oxidizes H 2 O to generate oxygen (O 2 ), and a reduction reaction electrode that reduces CO 2 to generate a carbon compound. Prepare. The oxidation reaction electrode is provided with an oxidation catalyst for oxidizing H 2 O on the surface of the photocatalyst, and obtains a potential by light energy. The reduction reaction electrode is provided with a reduction catalyst for reducing CO 2 on the surface of the photocatalyst, and is connected to the oxidation reaction electrode with an electric wire. The reduction reaction electrode obtains a reduction potential of CO 2 from the oxidation reaction electrode, thereby reducing CO 2 to generate formic acid (HCOOH). As described above, in order to obtain a potential necessary for reducing CO 2 with a photocatalyst using visible light, a Z-scheme type artificial photosynthesis system imitating a plant is used.

しかしながら、特許文献1では、太陽エネルギー変換効率は、0.04%程度と非常に低い。これは、可視光で励起する光触媒のエネルギー効率が低いことに原因がある。また、還元反応用電極が電線によって酸化反応用電極に接続されるため、その配線抵抗により電気(電流)を取り出す効率が低下し、結果として効率が低くなる。   However, in patent document 1, the solar energy conversion efficiency is as very low as about 0.04%. This is due to the low energy efficiency of the photocatalyst excited with visible light. Further, since the reduction reaction electrode is connected to the oxidation reaction electrode by the electric wire, the efficiency of taking out electricity (current) is reduced by the wiring resistance, and as a result, the efficiency is lowered.

特許文献2では、反応の電位を得るためにシリコン太陽電池を用いて、その両面に触媒を設けて反応を起こす構成が考えられている。非特許文献1では、反応の電位を得るためにシリコン太陽電池を重ねた構造を用いて、その両面に触媒を設けることでHOの電解反応を行っている。これらにおける太陽エネルギー変換効率は、2.5%と非常に高いものである。 In Patent Document 2, a configuration is considered in which a silicon solar cell is used in order to obtain a reaction potential, and a catalyst is provided on both sides to cause a reaction. In Non-Patent Document 1, an electrolytic reaction of H 2 O is performed by using a structure in which silicon solar cells are stacked in order to obtain a reaction potential, and providing a catalyst on both surfaces thereof. The solar energy conversion efficiency in these is as high as 2.5%.

また、この装置は配線不要の構造であるため、大型化が容易である。また、セル自体が仕切り板の役割をして生成物を隔離できるため生成物の分離工程が不要であることが特徴として挙げられる。   In addition, since this device has a structure that does not require wiring, it is easy to increase the size. Further, since the cell itself can act as a partition plate to isolate the product, the product separation step is unnecessary.

しかし、これらの装置では、COの還元反応に成功した例はない。また、COの還元反応のために、酸化側で発生した正の電荷を持ったイオンや還元側で発生した負の電荷を持ったイオンが対極に移動する必要があるが、このような板状の積層構造ではそのことについて考慮していない。特に、犠牲触媒を使用せずにHOを電子供与剤とする酸化還元反応では、プロトン(水素イオン(H))の移動が必須である。 However, in these apparatuses, there is no example of successful CO 2 reduction reaction. Further, for the reduction reaction of CO 2 , ions having a positive charge generated on the oxidation side and ions having a negative charge generated on the reduction side need to move to the counter electrode. This is not taken into account in the laminated structure. In particular, in a redox reaction using H 2 O as an electron donor without using a sacrificial catalyst, it is essential to move protons (hydrogen ions (H + )).

このように、光エネルギーを利用し、かつ、光反応効率の高いCO分解技術が求められる。 Thus, a CO 2 decomposition technique that uses light energy and has high photoreaction efficiency is required.

特開2011−094194号公報JP 2011-094194 A 特開平10−290017号公報JP-A-10-290017

S. Y. Reece, et al., Science. vol.334. pp.645 (2011)S. Y. Reece, et al., Science.vol.334.pp.645 (2011)

光反応効率の高いCO分解技術を有する光化学反応システムを提供する。 A photochemical reaction system having a CO 2 decomposition technology with high photoreaction efficiency is provided.

本実施形態による光化学反応システムは、COを発生するCO発生手段111と、前記CO発生手段により発生したCOを吸収するCO吸収手段112と、HOを酸化してOとHを生成する酸化触媒層19と前記CO吸収手段に吸収されたCOを還元して炭素化合物を生成する還元触媒層20と前記酸化触媒層および前記還元触媒層の間に形成され、光エネルギーにより電荷分離する半導体層17とを有する積層体と、前記酸化触媒層側と前記還元触媒層側との間でイオンを移動させるイオン移動経路と、を備えるCO還元手段110と、を具備する。 Photochemical reaction system according to this embodiment includes a CO 2 generator 111 for generating CO 2, and CO 2 absorption means 112 for absorbing the CO 2 generated by the CO 2 generator, O 2 and oxidizing of H 2 O Formed between the oxidation catalyst layer 19 for generating H + and the reduction catalyst layer 20 for reducing the CO 2 absorbed by the CO 2 absorption means to generate a carbon compound, and the oxidation catalyst layer and the reduction catalyst layer. A CO 2 reduction means 110 comprising: a stack having a semiconductor layer 17 that separates charges by light energy; and an ion transfer path that moves ions between the oxidation catalyst layer side and the reduction catalyst layer side; It comprises.

実施形態に係る光化学反応セルの構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the photochemical reaction cell which concerns on embodiment. 実施形態に係る光化学反応セルの動作原理を示す断面図。Sectional drawing which shows the operation | movement principle of the photochemical reaction cell which concerns on embodiment. 第1の実施形態に係る光化学反応装置の構造を示す斜視図。The perspective view which shows the structure of the photochemical reaction apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る光化学反応装置の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the photochemical reaction apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る光化学反応装置における変形例1の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the modification 1 in the photochemical reaction apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る光化学反応装置における変形例2の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the modification 2 in the photochemical reaction apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る光化学反応装置における変形例3の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the modification 3 in the photochemical reaction apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る光化学反応装置における変形例4の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the modification 4 in the photochemical reaction apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る光化学反応装置の構造を示す平面図。The top view which shows the structure of the photochemical reaction apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る光化学反応装置の構造を示す平面図。The top view which shows the structure of the photochemical reaction apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る光化学反応装置の構造を示す平面図。The top view which shows the structure of the photochemical reaction apparatus which concerns on 1st Embodiment. 比較例に対する実施例1におけるCOの光還元効率を示す実験結果。Experiments showing the photoreduction efficiency of CO 2 in Example 1 for Comparative Example result. 第2の実施形態に係る光化学反応装置の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the photochemical reaction apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る光化学反応装置における貫通孔の周期幅と多接合型太陽電池による光の吸収率との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the periodic width of the through-hole in the photochemical reaction apparatus which concerns on 2nd Embodiment, and the light absorption rate by a multijunction solar cell. 第2の実施形態に係る光化学反応装置における貫通孔の円相当径と多接合型太陽電池による光の吸収率との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the circle equivalent diameter of the through-hole in the photochemical reaction device which concerns on 2nd Embodiment, and the light absorption rate by a multijunction solar cell. 第2の実施形態に係る光化学反応装置の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the photochemical reaction apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 比較例に対する実施例2におけるCOの光還元効率を示す実験結果。Experiments showing the photoreduction efficiency of CO 2 in Example 2 for Comparative Example result. 比較例に対する実施例3におけるCOの光還元効率を示す実験結果。Experiments showing the photoreduction efficiency of CO 2 in Example 3 for Comparative Example result. 実施例3における光化学反応装置の構造を示す平面図。FIG. 6 is a plan view showing the structure of a photochemical reaction device in Example 3. 実施例3における光化学反応装置の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the photochemical reaction apparatus in Example 3. FIG. 実施例3および比較例における光化学反応装置を測定する電解槽を示す断面図。Sectional drawing which shows the electrolytic vessel which measures the photochemical reaction apparatus in Example 3 and a comparative example. 第2の実施形態に係る光化学反応装置における変形例1の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the modification 1 in the photochemical reaction apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る光化学反応装置における変形例2の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the modification 2 in the photochemical reaction apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る光化学反応装置の構造を示す斜視図。The perspective view which shows the structure of the photochemical reaction apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る光化学反応装置の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the photochemical reaction apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る光化学反応装置の構造の変形例を示す斜視図。The perspective view which shows the modification of the structure of the photochemical reaction apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る光化学反応装置の構造の変形例を示す断面図。Sectional drawing which shows the modification of the structure of the photochemical reaction apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る光化学反応装置の適用例を示す平面図。The top view which shows the example of application of the photochemical reaction apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 実施形態に係る光化学反応システムの構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the photochemical reaction system which concerns on embodiment. 実施形態に係る光化学反応システムの変形例1の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the modification 1 of the photochemical reaction system which concerns on embodiment. 実施形態に係る光化学反応システムの変形例2の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the modification 2 of the photochemical reaction system which concerns on embodiment. 実施形態に係る光化学反応システムの変形例3の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the modification 3 of the photochemical reaction system which concerns on embodiment. 実施形態に係る光化学反応システムの変形例3における光化学反応セルの動作原理を示す断面図。Sectional drawing which shows the operation | movement principle of the photochemical reaction cell in the modification 3 of the photochemical reaction system which concerns on embodiment. 実施形態に係る光化学反応システムの変形例3における光化学反応セルの動作原理を示す断面図。Sectional drawing which shows the operation | movement principle of the photochemical reaction cell in the modification 3 of the photochemical reaction system which concerns on embodiment.

本実施形態を以下に図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一の参照符号を付す。また、重複した説明は、必要に応じて行う。
1.光化学反応セル
以下に図1および図2を用いて、本実施形態に係る光化学反応セルについて説明する。
The present embodiment will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals. In addition, redundant description will be given as necessary.
1. Photochemical Reaction Cell The photochemical reaction cell according to this embodiment will be described below with reference to FIGS. 1 and 2.

図1は、本実施形態に係る光化学反応セルの構造を示す断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the photochemical reaction cell according to the present embodiment.

図1に示すように、本実施形態に係る光化学反応セルは、基板11、反射層12、還元電極層13、多接合型太陽電池17、酸化電極層18、酸化触媒層19、および還元触媒層20で構成される積層体を備える。基板11の表面(光入射面)上には、反射層12、還元電極層13、多接合型太陽電池17、酸化電極層18、および酸化触媒層19が形成される。一方、基板11の裏面上には、還元触媒層20が形成される。   As shown in FIG. 1, the photochemical reaction cell according to this embodiment includes a substrate 11, a reflective layer 12, a reduction electrode layer 13, a multijunction solar cell 17, an oxidation electrode layer 18, an oxidation catalyst layer 19, and a reduction catalyst layer. 20 is provided. On the surface (light incident surface) of the substrate 11, a reflective layer 12, a reduction electrode layer 13, a multijunction solar cell 17, an oxidation electrode layer 18, and an oxidation catalyst layer 19 are formed. On the other hand, a reduction catalyst layer 20 is formed on the back surface of the substrate 11.

基板11は、光化学反応セルを支持し、その機械的強度を増すために設けられる。基板11は、導電性を有し、例えばCu、Al、Ti、Ni、Fe、またはAg等の金属板、もしくはそれらを少なくとも1つ含む例えばSUSのような合金板で構成される。または、基板11は、導電性の樹脂等で構成されてもよい。また、基板11は、SiまたはGe等の半導体基板で構成されてもよい。なお、後述するように、基板11は、イオン交換膜で構成されてもよい。   The substrate 11 is provided to support the photochemical reaction cell and increase its mechanical strength. The substrate 11 has conductivity and is made of a metal plate such as Cu, Al, Ti, Ni, Fe, or Ag, or an alloy plate such as SUS including at least one of them. Alternatively, the substrate 11 may be made of a conductive resin or the like. Further, the substrate 11 may be composed of a semiconductor substrate such as Si or Ge. As will be described later, the substrate 11 may be formed of an ion exchange membrane.

反射層12は、基板11の表面上に形成される。反射層12は、光反射が可能な材料で構成され、例えば金属層、または半導体多層膜からなる分布型ブラッグ反射層で構成される。この反射層12は、基板11と多接合型太陽電池17との間に形成されることで、多接合型太陽電池17で吸収できなかった光を反射させて再び多接合型太陽電池17に入射させる。これにより、多接合型太陽電池17における光吸収率を向上させることができる。   The reflective layer 12 is formed on the surface of the substrate 11. The reflection layer 12 is made of a material capable of reflecting light, and is made of, for example, a distributed Bragg reflection layer made of a metal layer or a semiconductor multilayer film. The reflection layer 12 is formed between the substrate 11 and the multijunction solar cell 17, thereby reflecting light that could not be absorbed by the multijunction solar cell 17 and entering the multijunction solar cell 17 again. Let Thereby, the light absorption rate in the multijunction solar cell 17 can be improved.

還元電極層13は、反射層12上に形成される。還元電極層13は、多接合型太陽電池17のn型半導体層(後述するn型のアモルファスシリコン層14a)面上に形成される。このため、還元電極層13は、n型半導体層とオーミック接触が可能な材料で構成されることが望ましい。還元電極層13は、例えば、Ag、Au、Al、またはCu等の金属、もしくはそれらを少なくとも1つ含む合金で構成される。または、還元電極層13は、ITO(Indium Tin Oxide)または酸化亜鉛(ZnO)、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、AZO(アルミニウムドープ酸化亜鉛)、またはATO(アンチモンドープ酸化スズ)等の透明導電性酸化物で構成される。また、還元電極層13は、例えば金属と透明導電性酸化物とが積層された構造、金属とその他導電性材料とが複合された構造、または透明導電性酸化物とその他導電性材料とが複合された構造で構成されてもよい。   The reduction electrode layer 13 is formed on the reflective layer 12. The reduction electrode layer 13 is formed on the surface of the n-type semiconductor layer (an n-type amorphous silicon layer 14a described later) of the multi-junction solar cell 17. For this reason, it is desirable that the reduction electrode layer 13 be made of a material that can make ohmic contact with the n-type semiconductor layer. The reduction electrode layer 13 is made of, for example, a metal such as Ag, Au, Al, or Cu, or an alloy containing at least one of them. Alternatively, the reduction electrode layer 13 is made of transparent conductive material such as ITO (Indium Tin Oxide) or zinc oxide (ZnO), FTO (fluorine-doped tin oxide), AZO (aluminum-doped zinc oxide), or ATO (antimony-doped tin oxide). Consists of oxides. The reduction electrode layer 13 is, for example, a structure in which a metal and a transparent conductive oxide are laminated, a structure in which a metal and another conductive material are combined, or a composite of a transparent conductive oxide and another conductive material. It may be configured with a structured.

多接合型太陽電池17は、還元電極層13上に形成され、第1太陽電池14、第2太陽電池15、および第3太陽電池16で構成される。第1太陽電池14、第2太陽電池15、および第3太陽電池16はそれぞれ、pin接合半導体を使用した太陽電池であり、光の吸収波長が異なる。これらを平面状に積層することで、多接合型太陽電池17は、太陽光の幅広い波長の光を吸収することができ、太陽光エネルギーをより効率良く利用することが可能となる。また、各太陽電池は直列に接続されているため高い開放電圧を得ることができる。   The multi-junction solar cell 17 is formed on the reduction electrode layer 13 and includes a first solar cell 14, a second solar cell 15, and a third solar cell 16. Each of the first solar cell 14, the second solar cell 15, and the third solar cell 16 is a solar cell using a pin junction semiconductor and has different light absorption wavelengths. By laminating these in a planar shape, the multi-junction solar cell 17 can absorb light with a wide wavelength of sunlight, and can utilize solar energy more efficiently. Moreover, since each solar cell is connected in series, a high open circuit voltage can be obtained.

より具体的には、第1太陽電池14は、下部側から順に形成されたn型のアモルファスシリコン(a−Si)層14a、真性(intrinsic)のアモルファスシリコンゲルマニウム(a−SiGe)層14b、p型の微結晶シリコン(μc−Si)層14cで構成される。ここで、a−SiGe層14bは、400nm程度の短波長領域の光を吸収する層である。すなわち、第1太陽電池14は、短波長領域の光エネルギーによって、電荷分離が生じる。   More specifically, the first solar cell 14 includes an n-type amorphous silicon (a-Si) layer 14a, an intrinsic amorphous silicon germanium (a-SiGe) layer 14b, p, formed in order from the lower side. A type microcrystalline silicon (μc-Si) layer 14c. Here, the a-SiGe layer 14b is a layer that absorbs light in a short wavelength region of about 400 nm. That is, in the first solar cell 14, charge separation occurs due to light energy in the short wavelength region.

また、第2太陽電池15は、下部側から順に形成されたn型のa−Si層15a、真性(intrinsic)のa−SiGe層15b、p型のμc−Si層15cで構成される。ここで、a−SiGe層15bは、600nm程度の中間波長領域の光を吸収する層である。すなわち、第2太陽電池15は、中間波長領域の光エネルギーによって、電荷分離が生じる。   The second solar cell 15 includes an n-type a-Si layer 15a, an intrinsic a-SiGe layer 15b, and a p-type μc-Si layer 15c, which are sequentially formed from the lower side. Here, the a-SiGe layer 15b is a layer that absorbs light in the intermediate wavelength region of about 600 nm. That is, in the second solar cell 15, charge separation occurs due to light energy in the intermediate wavelength region.

また、第3太陽電池16は、下部側から順に形成されたn型のa−Si層16a、真性(intrinsic)のa−Si層16b、p型のμc−Si層16cで構成される。ここで、a−Si層16bは、700nm程度の長波長領域の光を吸収する層である。すなわち、第3太陽電池16は、長波長領域の光エネルギーによって、電荷分離が生じる。   The third solar cell 16 includes an n-type a-Si layer 16a, an intrinsic a-Si layer 16b, and a p-type μc-Si layer 16c formed in this order from the lower side. Here, the a-Si layer 16b is a layer that absorbs light in a long wavelength region of about 700 nm. That is, in the third solar cell 16, charge separation occurs due to light energy in the long wavelength region.

このように、多接合型太陽電池17は、各波長領域の光によって電荷分離が生じる。すなわち、正孔が正極側(表面側)に、電子が負極側(裏面側)に分離する。これにより、多接合型太陽電池17は、起電力を発生させる。   Thus, in the multi-junction solar cell 17, charge separation occurs due to light in each wavelength region. That is, holes are separated on the positive electrode side (front surface side) and electrons are separated on the negative electrode side (back surface side). Thereby, the multijunction solar cell 17 generates an electromotive force.

なお、上記において、3つの太陽電池の積層構造で構成される多接合型太陽電池17を例に説明したが、これに限らない。多接合型太陽電池17は、2つまたは4つ以上の太陽電池の積層構造から構成されてもよい。または、多接合型太陽電池17の代わりに、1つの太陽電池を用いてもよい。また、pin接合半導体を使用した太陽電池について説明したが、pn接合型半導体を使用した太陽電池であってもよい。また、半導体層として、SiおよびGeで構成される例を示したが、これに限らず、化合物半導体系、例えばGaAs、GaInP、AlGaInP、CdTe、CuInGaSeで構成されてもよい。さらに、単結晶、多結晶、アモルファス状の種々の形態を適用することができる。   In the above description, the multi-junction solar cell 17 configured with a stacked structure of three solar cells has been described as an example, but the present invention is not limited thereto. The multi-junction solar cell 17 may be composed of a laminated structure of two or four or more solar cells. Alternatively, one solar cell may be used instead of the multi-junction solar cell 17. Moreover, although the solar cell using a pin junction semiconductor was demonstrated, the solar cell using a pn junction type semiconductor may be sufficient. Moreover, although the example comprised by Si and Ge was shown as a semiconductor layer, it is not restricted to this, For example, you may comprise by GaAs, GaInP, AlGaInP, CdTe, CuInGaSe. Furthermore, various forms such as single crystal, polycrystal, and amorphous can be applied.

酸化電極層18は、多接合型太陽電池17上に形成される。酸化電極層18は、多接合型太陽電池17のp型半導体層(p型のμc−Si層16c)面上に形成される。このため、酸化電極層18は、p型半導体層とオーミック接触が可能な材料で構成されることが望ましい。酸化電極層18は、例えば、Ag、Au、Al、またはCu等の金属、もしくはそれらを少なくとも1つ含む合金で構成される。または、酸化電極層18は、ITO、ZnO、FTO、AZO、またはATO等の透明導電性酸化物で構成される。また、酸化電極層18は、例えば金属と透明導電性酸化物とが積層された構造、金属とその他導電性材料とが複合された構造、または透明導電性酸化物とその他導電性材料とが複合された構造で構成されてもよい。   The oxidation electrode layer 18 is formed on the multi-junction solar cell 17. The oxidation electrode layer 18 is formed on the p-type semiconductor layer (p-type μc-Si layer 16 c) surface of the multi-junction solar cell 17. For this reason, it is desirable that the oxidation electrode layer 18 be made of a material capable of ohmic contact with the p-type semiconductor layer. The oxidation electrode layer 18 is made of, for example, a metal such as Ag, Au, Al, or Cu, or an alloy containing at least one of them. Alternatively, the oxidation electrode layer 18 is made of a transparent conductive oxide such as ITO, ZnO, FTO, AZO, or ATO. In addition, the oxidation electrode layer 18 has, for example, a structure in which a metal and a transparent conductive oxide are laminated, a structure in which a metal and other conductive materials are combined, or a combination of a transparent conductive oxide and other conductive materials. It may be configured with a structured.

また、本例において、照射光は、酸化電極層18を通過して多接合型太陽電池17に到達する。このため、光照射面側に配置される酸化電極層18は、照射光に対して光透過性を有する。より具体的には、照射面側の酸化電極層18の透過性は、照射光の照射量の少なくとも10%以上、より好ましくは30%以上であることが好ましい。   In this example, the irradiation light passes through the oxidation electrode layer 18 and reaches the multi-junction solar cell 17. For this reason, the oxidation electrode layer 18 disposed on the light irradiation surface side has light transmittance with respect to the irradiation light. More specifically, the permeability of the oxidation electrode layer 18 on the irradiation surface side is preferably at least 10% or more, more preferably 30% or more, of the irradiation amount of irradiation light.

酸化触媒層19は、酸化電極層18上に形成される。酸化触媒層19は、多接合型太陽電池17の正極側に形成され、HOを酸化してOとHを生成する。このため、酸化触媒層19は、HOを酸化するための活性化エネルギーを減少させる材料で構成される。言い換えると、HOを酸化してOとHを生成する際の過電圧を低下させる材料で構成される。このような材料として、酸化マンガン(Mn−O)、酸化イリジウム(Ir−O)、酸化ニッケル(Ni−O)、酸化コバルト(Co−O)、酸化鉄(Fe−O)、酸化スズ(Sn−O)、酸化インジウム(In−O)、または酸化ルテニウム(Ru−O)等の二元系金属酸化物、Ni−Co−O、La−Co−O、Ni−La−O、Sr−Fe−O等の三元系金属酸化物、Pb−Ru−Ir−O、La−Sr−Co−O等の四元系金属酸化物、もしくは、Ru錯体またはFe錯体等の金属錯体が挙げられる。また、酸化触媒層19の形態としては薄膜状に限らず、格子状、粒子状、ワイヤー状であってもよい。 The oxidation catalyst layer 19 is formed on the oxidation electrode layer 18. The oxidation catalyst layer 19 is formed on the positive electrode side of the multi-junction solar cell 17 and oxidizes H 2 O to generate O 2 and H + . For this reason, the oxidation catalyst layer 19 is made of a material that reduces activation energy for oxidizing H 2 O. In other words, it is made of a material that reduces the overvoltage when H 2 O is oxidized to generate O 2 and H + . As such materials, manganese oxide (Mn—O), iridium oxide (Ir—O), nickel oxide (Ni—O), cobalt oxide (Co—O), iron oxide (Fe—O), tin oxide (Sn) -O), indium oxide (In-O), binary metal oxides such as ruthenium oxide (Ru-O), Ni-Co-O, La-Co-O, Ni-La-O, Sr-Fe Examples thereof include ternary metal oxides such as —O, quaternary metal oxides such as Pb—Ru—Ir—O and La—Sr—Co—O, and metal complexes such as Ru complexes and Fe complexes. The form of the oxidation catalyst layer 19 is not limited to a thin film, but may be a lattice, a particle, or a wire.

また、本例において、照射光は、酸化電極層18と同様、酸化触媒層19を通過して多接合型太陽電池17に到達する。このため、光照射面側に配置される酸化触媒層19は、照射光に対して光透過性を有する。より具体的には、照射面側の酸化触媒層19の透過性は、照射光の照射量の少なくとも10%以上、より望ましくは30%以上である。   In this example, similarly to the oxidation electrode layer 18, the irradiation light passes through the oxidation catalyst layer 19 and reaches the multi-junction solar cell 17. For this reason, the oxidation catalyst layer 19 disposed on the light irradiation surface side is light transmissive to the irradiation light. More specifically, the permeability of the oxidation catalyst layer 19 on the irradiation surface side is at least 10% or more, more desirably 30% or more, of the irradiation amount of irradiation light.

還元触媒層20は、基板11の裏面上に形成される。還元触媒層20は、多接合型太陽電池17の負極側に形成され、COを還元して炭素化合物(例えば、一酸化炭素(CO)、蟻酸(HCOOH)、メタン(CH)、メタノール(CHOH)、エタノール(COH)等)を生成する。このため、還元触媒層20は、COを還元するための活性化エネルギーを減少させる材料で構成される。言い換えると、COを還元して炭素化合物を生成する際の過電圧を低下させる材料で構成される。このような材料として、Au、Ag、Cu、Pt、C、Ni、Zn、C、グラフェン、CNT(carbon nanotube)、フラーレン、ケッチェンブラック、またはPd等の金属もしくはそれらを少なくとも1つ含む合金、あるいは、Ru錯体またはRe錯体等の金属錯体が挙げられる。また、還元触媒層20の形態としては薄膜状に限らず、格子状、粒子状、ワイヤー状であってもよい。 The reduction catalyst layer 20 is formed on the back surface of the substrate 11. The reduction catalyst layer 20 is formed on the negative electrode side of the multi-junction solar cell 17 and reduces CO 2 to reduce carbon dioxide (for example, carbon monoxide (CO), formic acid (HCOOH), methane (CH 4 ), methanol ( CH 3 OH), ethanol (C 2 H 5 OH), etc.). For this reason, the reduction catalyst layer 20 is made of a material that reduces activation energy for reducing CO 2 . In other words, it is composed of a material that reduces the overvoltage when CO 2 is reduced to produce a carbon compound. Examples of such materials include Au, Ag, Cu, Pt, C, Ni, Zn, C, graphene, CNT (carbon nanotube), fullerene, ketjen black, or a metal such as Pd or an alloy containing at least one of them. Or metal complexes, such as Ru complex or Re complex, are mentioned. Further, the form of the reduction catalyst layer 20 is not limited to a thin film shape, and may be a lattice shape, a particle shape, or a wire shape.

なお、多接合型太陽電池17の極性と基板11との配置関係は任意である。本例では、酸化触媒層19を光入射面側に配置したが、還元触媒層20を光入射面側に配置してもよい。すなわち、光化学反応セルにおいて、酸化触媒層19と還元触媒層20との位置、酸化電極層18と還元電極層13との位置、および多接合型太陽電池の極性を入れ替えてもよい。この場合、還元触媒層20および還元電極層13は、透明性を有することが望ましい。   The arrangement relationship between the polarity of the multi-junction solar cell 17 and the substrate 11 is arbitrary. In this example, the oxidation catalyst layer 19 is disposed on the light incident surface side, but the reduction catalyst layer 20 may be disposed on the light incident surface side. That is, in the photochemical reaction cell, the positions of the oxidation catalyst layer 19 and the reduction catalyst layer 20, the positions of the oxidation electrode layer 18 and the reduction electrode layer 13, and the polarity of the multijunction solar cell may be interchanged. In this case, it is desirable that the reduction catalyst layer 20 and the reduction electrode layer 13 have transparency.

また、多接合型太陽電池17の表面上、または光照射面側の電極層と触媒層との間(本例では、酸化電極層18と酸化触媒層19との間)に保護層を配置してもよい。保護層は、導電性を有するとともに、酸化還元反応において多接合型太陽電池17の腐食を防止する。その結果、多接合型太陽電池17の寿命を延ばすことができる。また、保護層は、必要に応じて光透過性を有する。保護層としては、例えばTiO、ZrO、Al2O、SiO、またはHfO等の誘電体薄膜が挙げられる。また、その膜厚は、トンネル効果により導電性を得るため、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下である。 図2は、本実施形態に係る光化学反応セルの動作原理を示す断面図である。ここでは、反射層12、還元電極層13、および酸化電極層18は省略している。 Further, a protective layer is disposed on the surface of the multi-junction solar cell 17 or between the electrode layer on the light irradiation surface side and the catalyst layer (between the oxidation electrode layer 18 and the oxidation catalyst layer 19 in this example). May be. The protective layer has conductivity and prevents corrosion of the multijunction solar cell 17 in the oxidation-reduction reaction. As a result, the lifetime of the multijunction solar cell 17 can be extended. Moreover, a protective layer has a light transmittance as needed. As the protective layer, for example TiO 2, ZrO 2, Al2O 3 , SiO 2, or a dielectric thin film of HfO 2 and the like. The film thickness is preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less in order to obtain conductivity by the tunnel effect. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the operation principle of the photochemical reaction cell according to the present embodiment. Here, the reflection layer 12, the reduction electrode layer 13, and the oxidation electrode layer 18 are omitted.

図2に示すように、表面側から光が入射すると、入射光は酸化触媒層19および酸化電極層18を通過し、多接合型太陽電池17に到達する。多接合型太陽電池17は、光を吸収すると、光励起電子およびそれと対になる正孔を生成し、それらを分離する。すなわち、各太陽電池(第1太陽電池14、第2太陽電池15、および第3太陽電池16)において、n型の半導体層側(還元触媒層20側)に光励起電子が移動し、p型の半導体層側(酸化触媒層19側)に光励起電子の対として発生した正孔が移動する、電荷分離が生じる。これにより、多接合型太陽電池17に起電力が発生する。   As shown in FIG. 2, when light is incident from the surface side, the incident light passes through the oxidation catalyst layer 19 and the oxidation electrode layer 18 and reaches the multi-junction solar cell 17. When the multi-junction solar cell 17 absorbs light, it generates photoexcited electrons and holes paired therewith and separates them. That is, in each solar cell (the first solar cell 14, the second solar cell 15, and the third solar cell 16), the photoexcited electrons move to the n-type semiconductor layer side (reduction catalyst layer 20 side), and the p-type Charge separation occurs in which holes generated as pairs of photoexcited electrons move to the semiconductor layer side (oxidation catalyst layer 19 side). Thereby, an electromotive force is generated in the multi-junction solar cell 17.

このように、多接合型太陽電池17内で発生した光励起電子は負極である還元触媒層20での還元反応に使用され、正孔は正極である酸化触媒層19での酸化反応に使用される。これにより、酸化触媒層19付近では(1)式、還元触媒層20付近では(2)式の反応が生じる。   Thus, the photoexcited electrons generated in the multi-junction solar cell 17 are used for the reduction reaction in the reduction catalyst layer 20 that is the negative electrode, and the holes are used for the oxidation reaction in the oxidation catalyst layer 19 that is the positive electrode. . As a result, the reaction of the formula (1) occurs near the oxidation catalyst layer 19, and the reaction of the formula (2) occurs near the reduction catalyst layer 20.

2HO → 4H+O+4e ・・・(1)
2CO+4H+4e → 2CO+2HO ・・・(2)
(1)式に示すように、酸化触媒層19付近において、HOが酸化されて(電子を失い)OとHが生成される。そして、酸化触媒層19側で生成されたHは、後述するイオン移動経路を介して還元触媒層20側に移動する。
2H 2 O → 4H + + O 2 + 4e (1)
2CO 2 + 4H + + 4e → 2CO + 2H 2 O (2)
As shown in the formula (1), in the vicinity of the oxidation catalyst layer 19, H 2 O is oxidized (loses electrons) to generate O 2 and H + . Then, H + generated on the oxidation catalyst layer 19 side moves to the reduction catalyst layer 20 side through an ion movement path described later.

(2)式に示すように、還元触媒層20付近において、COと移動したHとが反応し、一酸化炭素(CO)とHOが生成される。 As shown in the equation (2), in the vicinity of the reduction catalyst layer 20, CO 2 and the transferred H + react to generate carbon monoxide (CO) and H 2 O.

このとき、多接合型太陽電池17は、酸化触媒層19で生じる酸化反応の標準酸化還元電位と還元触媒層20で生じる還元反応の標準酸化還元電位との電位差以上の開放電圧を有する必要がある。例えば、(1)式における酸化反応の標準酸化還元電位は1.23[V]であり、(2)式における還元反応の標準酸化還元電位は−0.1[V]である。このため、多接合型太陽電池17の開放電圧は、1.33[V]以上の必要がある。なお、より好ましくは、開放電圧は過電圧を含めた電位差以上の必要がある。より具体的には、例えば(1)式における酸化反応および(2)式における還元反応の過電圧がそれぞれ0.2[V]である場合、開放電圧は1.73[V]以上であることが望ましい。   At this time, the multi-junction solar cell 17 needs to have an open circuit voltage equal to or higher than the potential difference between the standard oxidation-reduction potential of the oxidation reaction occurring in the oxidation catalyst layer 19 and the standard oxidation-reduction potential of the reduction reaction occurring in the reduction catalyst layer 20. . For example, the standard redox potential of the oxidation reaction in the formula (1) is 1.23 [V], and the standard redox potential of the reduction reaction in the formula (2) is −0.1 [V]. For this reason, the open voltage of the multi-junction solar cell 17 needs to be 1.33 [V] or more. More preferably, the open circuit voltage needs to be equal to or greater than the potential difference including the overvoltage. More specifically, for example, when the overvoltage of the oxidation reaction in Formula (1) and the reduction reaction in Formula (2) is 0.2 [V], the open circuit voltage may be 1.73 [V] or more. desirable.

(2)式に示すCOからCOへの還元反応だけでなく、COからHCOOH、CH、CHOH、COH等への還元反応は、Hを消費する反応である。このため、酸化触媒層19で生成したHが対極の還元触媒層20へ移動できない場合、全体の反応の効率が低いものとなる。これに対し、本実施形態は、Hを移動させるイオン移動経路を形成することで、Hの輸送を改善して高い光反応効率を実現するものである。
2.光化学反応装置
以下に図3乃至図23を用いて、本実施形態に係る光化学反応セルを用いた光化学反応装置について説明する。
<2−1.第1の実施形態>
図3乃至図12を用いて、第1の実施形態に係る光化学反応装置について説明する。
Not only the reduction reaction from CO 2 to CO shown in formula (2) but also the reduction reaction from CO 2 to HCOOH, CH 4 , CH 3 OH, C 2 H 5 OH, etc. is a reaction that consumes H +. . For this reason, when the H + produced in the oxidation catalyst layer 19 cannot move to the counter reduction catalyst layer 20, the overall reaction efficiency is low. In contrast, the present embodiment, by forming the ion transfer path for moving the H +, realizes a high light reaction efficiency by improving the transport of H +.
2. Photochemical Reaction Device A photochemical reaction device using the photochemical reaction cell according to the present embodiment will be described below with reference to FIGS.
<2-1. First Embodiment>
The photochemical reaction device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

第1の実施形態に係る光化学反応装置は、酸化触媒層19、還元触媒層20、およびこれらの間に形成された多接合型太陽電池17の積層体で構成される光化学反応セルと、酸化触媒層19と還元触媒層20との間でイオンを移動させるイオン移動経路と、を備える例である。これにより、高い光反応効率で、酸化触媒層19側で生成されたHを還元触媒層20へと移動させることができ、このHによって還元触媒層20側で二酸化炭素を分解することができる。以下に、第1の実施形態について詳説する。
[第1の実施形態の構造]
まず、第1の実施形態に係る光化学反応装置の構造について説明する。
The photochemical reaction device according to the first embodiment includes an oxidation catalyst layer 19, a reduction catalyst layer 20, a photochemical reaction cell including a stacked body of multijunction solar cells 17 formed therebetween, an oxidation catalyst An ion movement path for moving ions between the layer 19 and the reduction catalyst layer 20 is an example. Accordingly, H + produced on the oxidation catalyst layer 19 side can be moved to the reduction catalyst layer 20 with high photoreaction efficiency, and carbon dioxide can be decomposed on the reduction catalyst layer 20 side by this H + . it can. Hereinafter, the first embodiment will be described in detail.
[Structure of First Embodiment]
First, the structure of the photochemical reaction device according to the first embodiment will be described.

図3は、第1の実施形態に係る光化学反応装置の構造を示す斜視図である。図4は、第1の実施形態に係る光化学反応装置の構造を示す断面図である。なお、図3において、後述するイオン移動経路は省略している。   FIG. 3 is a perspective view showing the structure of the photochemical reaction device according to the first embodiment. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the photochemical reaction device according to the first embodiment. In FIG. 3, an ion movement path to be described later is omitted.

図3および図4に示すように、第1の実施形態に係る光化学反応装置は、光化学反応セルと、光化学反応セルを内部に含む電解槽31と、イオン移動経路として電解槽31に接続された電解槽流路41とを備える。   As shown in FIGS. 3 and 4, the photochemical reaction device according to the first embodiment is connected to the photochemical reaction cell, the electrolytic cell 31 including the photochemical reaction cell therein, and the electrolytic cell 31 as an ion transfer path. And an electrolytic cell channel 41.

光化学反応セルは、平板状に形成され、少なくとも基板11によって電解槽31を2つに分離する。すなわち、電解槽31は、光化学反応セルの酸化触媒層19が配置される酸化反応用電解槽45と、光化学反応セルの還元触媒層20が配置される還元反応用電解槽46とを備える。これら酸化反応用電解槽45と還元反応用電解槽46とでは、別々の電解液を供給することが可能である。   The photochemical reaction cell is formed in a flat plate shape, and at least the substrate 11 separates the electrolytic cell 31 into two. That is, the electrolytic cell 31 includes an oxidation reaction electrolytic cell 45 in which the photocatalytic reaction cell oxidation catalyst layer 19 is disposed, and a reduction reaction electrolytic cell 46 in which the photochemical reaction cell reduction catalyst layer 20 is disposed. In the oxidation reaction electrolytic tank 45 and the reduction reaction electrolytic tank 46, it is possible to supply separate electrolytic solutions.

酸化反応用電解槽45には、電解液として例えばHOを含む液体が満たされている。このような電解液としては、任意の電解質を含むものが挙げられるが、HOの酸化反応を促進するものであることが望ましい。酸化反応用電解槽45では、酸化触媒層19によってHOが酸化されてOとHが生成される。 The oxidation reaction electrolytic tank 45 is filled with, for example, a liquid containing H 2 O as an electrolytic solution. Examples of such an electrolytic solution include those containing an arbitrary electrolyte, but it is desirable to promote an oxidation reaction of H 2 O. In the oxidation reaction electrolytic tank 45, H 2 O is oxidized by the oxidation catalyst layer 19 to generate O 2 and H + .

還元反応用電解槽46には、電解液として例えばCOを含む液体が満たされている。還元反応用電解槽46における電解液は、COの還元電位を低下させ、イオン伝導性が高く、COを吸収するCO吸収剤を有することが望ましい。このような電解液として、イミダゾリウムイオンまたはピリジニウムイオン等の陽イオンと、BF またはPF 等の陰イオンとの塩からなり、幅広い温度範囲で液体状態であるイオン液体もしくはその水溶液が挙げられる。または、電解液として、エタノールアミン、イミダゾール、またはピリジン等のアミン溶液もしくはその水溶液が挙げられる。アミンは、一級アミン、二級アミン、三級アミンのいずれでもかまわない。一級アミンとしてはメチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミンなどである。アミンの炭化水素は、アルコールやハロゲンなどが置換していてもかまわない。アミンの炭化水素が置換されたものとしては、例えば、メタノールアミンやエタノールアミン、クロロメチルアミンなどである。また、不飽和結合が存在していてもかまわない。これら炭化水素は、二級アミン、三級アミンも同様である。二級アミンとしては、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、ジメタノールアミン、ジエタノールアミン、ジプロパノールアミン、などである。置換した炭化水素は、異なってもかまわない。これは、三級アミンでも同様である。例えば、炭化水素が異なるものとしては、メチルエチルアミン、メチルプロピルアミンなどである。三級アミンとしては、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリヘキシルアミン、トリメタノールアミン、トリエタノールアミン、トリプロパノールアミン、トリブタノールアミン、トリプロパノールアミン、トリエキサノールアミン、メチルジエチルアミン、メチルジプロピルアミンなどである。イオン液体の陽イオンとしては、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムイオン、1−ブチル−3−メチルイミダゾールイオン、1−メチル−3−ペンチルイミダゾリウムイオン、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムイオンなどである。また、イミダゾリウムイオンの2位が置換されていてもよい。例えば、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムイオン、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムイオン、1−ブチル2,3−ジメチルイミダゾリウムイオン、1,2−ジメチル−3−ペンチルイミダゾリウムイオン、1−ヘキシル−2,3−ジメチルイミダゾリウムイオンなどである。ピリジニウムイオンとしてはメチルピリジニウム、エチルピリジニウム、プロピルピリジニウム、ブチルピリジニウム、ペンチルピリジニウム、ヘキシルピリジニウム、などである。イミダゾリウムイオン、ピリジニウムイオンはともに、アルキル基が置換されてもよく、不飽和結合が存在してもよい。アニオンとしては、フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、BF4−、PF6−、CFCOO、CFSO3−、NO3−、SCN、(CFSO、ビス(トリフルオロメトキシスルホニル)イミド、ビス(トリフルオロメトキシスルホニル)イミド、ビス(パーフルオロエチルスルホニル)イミドなどがある。また、イオン液体のカチオンとアニオンとを炭化水素で連結した双生イオンでもよい。還元反応用電解槽46では、還元触媒層20によってCOが還元されて炭素化合物が生成される。また、水分(HO)が還元されて水素(H)も生成され得る。 The electrolytic cell for reduction reaction 46 is filled with a liquid containing, for example, CO 2 as an electrolytic solution. It is desirable that the electrolytic solution in the reduction reaction electrolytic tank 46 has a CO 2 absorbent that reduces the reduction potential of CO 2 , has high ionic conductivity, and absorbs CO 2 . As such an electrolytic solution, an ionic liquid or an aqueous solution thereof, which consists of a salt of a cation such as imidazolium ion or pyridinium ion and an anion such as BF 4 or PF 6 and is in a liquid state in a wide temperature range. Can be mentioned. Alternatively, examples of the electrolytic solution include amine solutions such as ethanolamine, imidazole, and pyridine, or aqueous solutions thereof. The amine may be any of primary amine, secondary amine, and tertiary amine. Examples of primary amines include methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, pentylamine, and hexylamine. The amine hydrocarbon may be substituted with alcohol or halogen. Examples of the substituted amine hydrocarbon include methanolamine, ethanolamine, and chloromethylamine. Moreover, an unsaturated bond may exist. These hydrocarbons are the same for secondary amines and tertiary amines. Secondary amines include dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, dibutylamine, dipentylamine, dihexylamine, dimethanolamine, diethanolamine, dipropanolamine, and the like. The substituted hydrocarbon may be different. The same applies to tertiary amines. For example, examples of hydrocarbons that are different include methylethylamine and methylpropylamine. Tertiary amines include trimethylamine, triethylamine, tripropylamine, tributylamine, trihexylamine, trimethanolamine, triethanolamine, tripropanolamine, tributanolamine, tripropanolamine, triexanolamine, methyldiethylamine, methyl Such as dipropylamine. As the cation of the ionic liquid, 1-ethyl-3-methylimidazolium ion, 1-methyl-3-propylimidazolium ion, 1-butyl-3-methylimidazole ion, 1-methyl-3-pentylimidazolium ion 1-hexyl-3-methylimidazolium ion and the like. Further, the 2-position of the imidazolium ion may be substituted. For example, 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium ion, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium ion, 1-butyl 2,3-dimethylimidazolium ion, 1,2-dimethyl-3-pentylimidazole Examples include a lithium ion and a 1-hexyl-2,3-dimethylimidazolium ion. Examples of the pyridinium ion include methylpyridinium, ethylpyridinium, propylpyridinium, butylpyridinium, pentylpyridinium, hexylpyridinium, and the like. In both the imidazolium ion and the pyridinium ion, an alkyl group may be substituted and an unsaturated bond may exist. As anions, fluoride ions, chloride ions, bromide ions, iodide ions, BF 4− , PF 6− , CF 3 COO , CF 3 SO 3− , NO 3− , SCN , (CF 3 SO 2). 3 C , bis (trifluoromethoxysulfonyl) imide, bis (trifluoromethoxysulfonyl) imide, bis (perfluoroethylsulfonyl) imide and the like. Moreover, the zwitterion which connected the cation and the anion of the ionic liquid with the hydrocarbon may be sufficient. In the electrolytic cell 46 for reduction reaction, CO 2 is reduced by the reduction catalyst layer 20 to generate a carbon compound. In addition, water (H 2 O) can be reduced to produce hydrogen (H 2 ).

なお、電解液中の水分量を変えることによって、生成されるCOの還元物質を変えることができる。例えば、HCOOH、CH、CHOH、COH、または水素等の生成割合を変えることができる。 Incidentally, by changing the amount of water in the electrolyte, it is possible to change the reducing substance of CO 2 produced. For example, the production ratio of HCOOH, CH 4 , CH 3 OH, C 2 H 5 OH, hydrogen, or the like can be changed.

また、酸化反応用電解槽45と還元反応用電解槽46に満たされている電解液の温度はその使用環境に応じて同じであってもよいし、異なってもよい。例えば、還元反応用電解槽46に用いる電解液が工場から排出されたCOを含むアミン吸収液である場合、その電解液の温度は大気温度よりも高い。この場合、電解液の温度は、30℃以上150℃以下、より好ましくは40℃以上120℃以下である。 The temperature of the electrolytic solution filled in the oxidation reaction electrolytic tank 45 and the reduction reaction electrolytic tank 46 may be the same or different depending on the use environment. For example, when the electrolytic solution used in the reduction reaction electrolytic bath 46 is an amine absorbing solution containing CO 2 discharged from the factory, the temperature of the electrolytic solution is higher than the atmospheric temperature. In this case, the temperature of the electrolytic solution is 30 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, more preferably 40 ° C. or higher and 120 ° C. or lower.

電解槽流路41は、例えば電解槽31の側方に設けられる。電解槽流路41の一方は酸化反応用電解槽45に接続され、他方は還元反応用電解槽46に接続される。すなわち、電解槽流路41は、酸化反応用電解槽45と還元反応用電解槽46とを接続している。   The electrolytic cell channel 41 is provided on the side of the electrolytic cell 31, for example. One of the electrolytic cell channels 41 is connected to the oxidation reaction electrolytic cell 45, and the other is connected to the reduction reaction electrolytic cell 46. That is, the electrolytic cell channel 41 connects the oxidation reaction electrolytic cell 45 and the reduction reaction electrolytic cell 46.

この電解槽流路41内の一部にはイオン交換膜43が充填され、イオン交換膜43は特定のイオンのみを通過させる。これにより、酸化反応用電解槽45と還元反応用電解槽46との間で電解液を分離しつつ、イオン交換膜43が設けられた電解槽流路41を介して特定のイオンのみを移動させることができる。すなわち、光化学反応装置は、選択的に物質を通す隔壁構造を有する。ここで、イオン交換膜43は、プロトン交換膜であり、酸化反応用電解槽45で生成されたHを還元反応用電解槽46側に移動させることができる。より具体的には、イオン交換膜43としてナフィオンまたはフレミオンのようなカチオン交換膜、ネオセプタまたはセレミオンのようなアニオン交換膜が挙げられる。 A portion of the electrolytic cell channel 41 is filled with an ion exchange membrane 43, and the ion exchange membrane 43 allows only specific ions to pass therethrough. Thereby, only specific ions are moved through the electrolytic cell channel 41 provided with the ion exchange membrane 43 while separating the electrolytic solution between the electrolytic cell 45 for oxidation reaction and the electrolytic cell 46 for reduction reaction. be able to. That is, the photochemical reaction device has a partition structure through which a substance is selectively passed. Here, the ion exchange membrane 43 is a proton exchange membrane, and H + generated in the oxidation reaction electrolytic cell 45 can be moved to the reduction reaction electrolytic cell 46 side. More specifically, examples of the ion exchange membrane 43 include a cation exchange membrane such as Nafion or Flemion, and an anion exchange membrane such as Neoceptor or Selemion.

なお、イオン交換膜43の代わりに、イオンが移動でき、かつ電解液を分離できるもの、例えば塩橋のような寒天等を用いてもよい。一般に、ナフィオンに代表されるようなプロトン交換性の固体高分子膜を使用するとイオン移動の性能は良い。   Instead of the ion exchange membrane 43, a material that can move ions and that can separate the electrolyte, for example, agar such as a salt bridge may be used. In general, when a proton exchangeable solid polymer membrane represented by Nafion is used, ion transfer performance is good.

また、電解槽流路41にポンプ等の循環機構42を設けてもよい。これにより、酸化反応用電解槽45と還元反応用電解槽46との間で、イオン(H)の循環を向上させることができる。また、電解槽流路41を2本設けてもよく、そのうちの少なくとも1本に設けられた循環機構42を用いて、一方の電解槽流路41を介して酸化反応用電解槽45から還元反応用電解槽46へイオンを移動させ、他方の電解槽流路41を介して還元反応用電解槽46から酸化反応用電解槽45へ移動させてもよい。また、複数の循環機構42を設けてもよい。また、イオンの拡散を低減させ、より効率よくイオンを循環させるために、複数(3個以上)の電解槽流路41を設けてもよい。また、液体を運搬することによって、発生したガスの気泡が電極表面や電解層表面にとどまることがなく、気泡による太陽光の散乱に起因する効率低下や光量分布を抑えてもよい。 Further, a circulation mechanism 42 such as a pump may be provided in the electrolytic cell channel 41. Thereby, the circulation of ions (H + ) can be improved between the oxidation reaction electrolytic cell 45 and the reduction reaction electrolytic cell 46. Further, two electrolytic cell channels 41 may be provided, and the reduction reaction is performed from the oxidation reaction electrolytic cell 45 through one electrolytic cell channel 41 using the circulation mechanism 42 provided in at least one of them. The ions may be moved to the electrolytic cell 46, and may be moved from the reduction reaction electrolytic cell 46 to the oxidation reaction electrolytic cell 45 via the other electrolytic cell channel 41. A plurality of circulation mechanisms 42 may be provided. In order to reduce ion diffusion and to circulate ions more efficiently, a plurality (three or more) of electrolytic cell channels 41 may be provided. Further, by transporting the liquid, the generated gas bubbles do not stay on the electrode surface or the electrolytic layer surface, and the efficiency reduction and light quantity distribution due to the scattering of sunlight by the bubbles may be suppressed.

また、多接合型太陽電池17の表面に光を照射することによって上昇した熱を利用して電解液に温度差を生じさせることで、イオンの拡散を低減させ、より効率よくイオンを循環させてもよい。言い換えると、イオン拡散以外の対流によってイオンの移動を促進させることができる。   In addition, a temperature difference is generated in the electrolytic solution by using heat raised by irradiating light on the surface of the multi-junction solar cell 17, thereby reducing ion diffusion and circulating ions more efficiently. Also good. In other words, ion movement can be promoted by convection other than ion diffusion.

一方、電解槽流路41内や電解槽31内に電解液の温度調整をする温度調整機構44を設け、温度制御によって太陽電池性能と触媒性能を制御することができる。これにより、例えば、太陽電池や触媒の性能を安定および向上させるために、反応系の温度を均一化することができる。また、システム安定のために、温度上昇を防ぐこともできる。温度制御によって、太陽電池および触媒の選択性を変化させることができ、その生成物を制御することもできる。   On the other hand, a temperature adjusting mechanism 44 for adjusting the temperature of the electrolytic solution is provided in the electrolytic cell channel 41 or the electrolytic cell 31, and the solar cell performance and the catalyst performance can be controlled by temperature control. Thereby, in order to stabilize and improve the performance of a solar cell or a catalyst, for example, the temperature of the reaction system can be made uniform. In addition, temperature rise can be prevented for system stability. Temperature control can change the selectivity of the solar cell and the catalyst, and can also control the product.

また、本例において、基板11の端部は、多接合太陽電池17、酸化触媒層19、および還元触媒層20の端部よりも突出しているが、これに限らない。基板11、多接合太陽電池17、酸化触媒層19、および還元触媒層20が同一面積の平板状であってもよい。
[第1の実施形態の変形例]
次に、第1の実施形態に係る光化学反応装置における変形例について説明する。
Moreover, in this example, the edge part of the board | substrate 11 protrudes rather than the edge part of the multijunction solar cell 17, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20, but it is not restricted to this. The substrate 11, the multi-junction solar cell 17, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20 may have a flat plate shape having the same area.
[Modification of First Embodiment]
Next, a modification of the photochemical reaction device according to the first embodiment will be described.

図5乃至図8は、第1の実施形態に係る光化学反応装置における変形例1乃至変形例4の構造を示す断面図である。なお、第1の実施形態に係る光化学反応装置の変形例において、主に上記構造と異なる点について説明する。   5 to 8 are cross-sectional views showing the structures of Modifications 1 to 4 in the photochemical reaction device according to the first embodiment. In the modified example of the photochemical reaction device according to the first embodiment, differences from the above structure will be mainly described.

図5に示すように、第1の実施形態に係る光化学反応装置における変形例1は、光化学反応セルと、光化学反応セルを内部に含む電解槽31と、イオン移動経路として基板11に形成された開口部51とを備える。   As shown in FIG. 5, Modification 1 of the photochemical reaction device according to the first embodiment is formed on the substrate 11 as a photochemical reaction cell, an electrolytic cell 31 including the photochemical reaction cell inside, and an ion transfer path. And an opening 51.

開口部51は、例えば基板11の端部を酸化反応用電解槽45側から還元反応用電解槽46側まで貫通するように設けられている。これにより、開口部51は、酸化反応用電解槽45と還元反応用電解槽46とを接続している。   The opening 51 is provided, for example, so as to penetrate the end portion of the substrate 11 from the oxidation reaction electrolytic bath 45 side to the reduction reaction electrolytic bath 46 side. Thus, the opening 51 connects the oxidation reaction electrolytic cell 45 and the reduction reaction electrolytic cell 46.

この開口部51内の一部にはイオン交換膜43が充填され、イオン交換膜43は特定のイオンのみを通過させる。これにより、酸化反応用電解槽45と還元反応用電解槽46との間で電解液を分離しつつ、イオン交換膜43が設けられた開口部51を介して特定のイオンのみを移動させることができる。   A part of the opening 51 is filled with an ion exchange membrane 43, and the ion exchange membrane 43 allows only specific ions to pass therethrough. Thus, only specific ions can be moved through the opening 51 provided with the ion exchange membrane 43 while separating the electrolytic solution between the oxidation reaction electrolytic tank 45 and the reduction reaction electrolytic tank 46. it can.

図6に示すように、第1の実施形態に係る光化学反応装置における変形例2は、光化学反応セルと、光化学反応セルを内部に含む電解槽31と、イオン移動経路として基板11、多接合型太陽電池17、酸化触媒層19、および還元触媒層20に形成された開口部51とを備える。   As shown in FIG. 6, Modification 2 of the photochemical reaction device according to the first embodiment includes a photochemical reaction cell, an electrolytic cell 31 including the photochemical reaction cell, a substrate 11 as an ion transfer path, and a multi-junction type. And an opening 51 formed in the solar cell 17, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20.

開口部51は、例えば基板11、多接合型太陽電池17、酸化触媒層19、および還元触媒層20を酸化反応用電解槽45側から還元反応用電解槽46側まで貫通するように設けられている。これにより、開口部51は、酸化反応用電解槽45と還元反応用電解槽46とを接続している。   The opening 51 is provided so as to penetrate, for example, the substrate 11, the multi-junction solar cell 17, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20 from the oxidation reaction electrolytic tank 45 side to the reduction reaction electrolytic tank 46 side. Yes. Thus, the opening 51 connects the oxidation reaction electrolytic cell 45 and the reduction reaction electrolytic cell 46.

この開口部51内の一部にはイオン交換膜43が充填され、イオン交換膜43は特定のイオンのみを通過させる。これにより、酸化反応用電解槽45と還元反応用電解槽46との間で電解液を分離しつつ、イオン交換膜43が設けられた開口部51を介して特定のイオンのみを移動させることができる。   A part of the opening 51 is filled with an ion exchange membrane 43, and the ion exchange membrane 43 allows only specific ions to pass therethrough. Thus, only specific ions can be moved through the opening 51 provided with the ion exchange membrane 43 while separating the electrolytic solution between the oxidation reaction electrolytic tank 45 and the reduction reaction electrolytic tank 46. it can.

なお、図6において、開口部51内の一部にイオン交換膜43が形成されているが、開口部51内を埋め込むようにイオン交換膜43が形成されてもよい。   In FIG. 6, the ion exchange membrane 43 is formed in part of the opening 51, but the ion exchange membrane 43 may be formed so as to fill the opening 51.

図7に示すように、第1の実施形態に係る光化学反応装置における変形例3は、光化学反応セルと、光化学反応セルを内部に含む電解槽31と、イオン移動経路として基板11、多接合型太陽電池17、酸化触媒層19、および還元触媒層20に形成された開口部51とを備える。   As shown in FIG. 7, the modification 3 in the photochemical reaction device according to the first embodiment includes a photochemical reaction cell, an electrolytic cell 31 including the photochemical reaction cell inside, a substrate 11 as an ion transfer path, and a multi-junction type. And an opening 51 formed in the solar cell 17, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20.

開口部51は、例えば基板11、多接合型太陽電池17、酸化触媒層19、および還元触媒層20を酸化反応用電解槽45側から還元反応用電解槽46側まで貫通するように設けられている。これにより、開口部51は、酸化反応用電解槽45と還元反応用電解槽46とを接続している。   The opening 51 is provided so as to penetrate, for example, the substrate 11, the multi-junction solar cell 17, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20 from the oxidation reaction electrolytic tank 45 side to the reduction reaction electrolytic tank 46 side. Yes. Thus, the opening 51 connects the oxidation reaction electrolytic cell 45 and the reduction reaction electrolytic cell 46.

また、光化学反応セルの光照射面(酸化触媒層19の表面)を覆うようにイオン交換膜43が設けられる。これにより、開口部51の酸化反応用電解槽45側は、イオン交換膜43によって覆われる。イオン交換膜43は特定のイオンのみを通過させる。これにより、酸化反応用電解槽45と還元反応用電解槽46との間で電解液を分離しつつ、イオン交換膜43が設けられた開口部51を介して特定のイオンのみを移動させることができる。   Moreover, the ion exchange membrane 43 is provided so that the light irradiation surface (surface of the oxidation catalyst layer 19) of a photochemical reaction cell may be covered. As a result, the oxidation reaction electrolytic cell 45 side of the opening 51 is covered with the ion exchange membrane 43. The ion exchange membrane 43 allows only specific ions to pass through. Thus, only specific ions can be moved through the opening 51 provided with the ion exchange membrane 43 while separating the electrolytic solution between the oxidation reaction electrolytic tank 45 and the reduction reaction electrolytic tank 46. it can.

また、変形例3では、イオン交換膜43によって、酸化触媒層19の表面が覆われる。これにより、イオン交換膜43は、酸化触媒層19、さらには多接合型太陽電池17の保護層として機能する。   In the third modification, the surface of the oxidation catalyst layer 19 is covered with the ion exchange membrane 43. Thereby, the ion exchange membrane 43 functions as the oxidation catalyst layer 19 and further as a protective layer of the multi-junction solar cell 17.

図8に示すように、第1の実施形態に係る光化学反応装置における変形例4は、光化学反応セルと、光化学反応セルを内部に含む電解槽31と、イオン移動経路として多接合型太陽電池17、酸化触媒層19、および還元触媒層20に形成された開口部51とを備える。   As shown in FIG. 8, the modification 4 in the photochemical reaction device according to the first embodiment includes a photochemical reaction cell, an electrolytic cell 31 including the photochemical reaction cell inside, and a multi-junction solar cell 17 as an ion transfer path. And an opening 51 formed in the oxidation catalyst layer 19 and the reduction catalyst layer 20.

変形例4では、基板11の代わりにイオン交換膜43が設けられている。すなわち、イオン交換膜43の表面上に多接合型太陽電池17および酸化触媒層19が形成され、裏面上に還元触媒層20が形成される。   In Modification 4, an ion exchange membrane 43 is provided instead of the substrate 11. That is, the multi-junction solar cell 17 and the oxidation catalyst layer 19 are formed on the surface of the ion exchange membrane 43, and the reduction catalyst layer 20 is formed on the back surface.

開口部51は、例えば多接合型太陽電池17および酸化触媒層19を酸化反応用電解槽45側から還元反応用電解槽46側まで貫通するように設けられ、還元触媒層20を酸化反応用電解槽45側から還元反応用電解槽46側まで貫通するように設けられている。これにより、開口部51内にイオン交換膜43が設けられる構造となる。言い換えると、イオン交換膜43のみによって、酸化反応用電解槽45側と還元反応用電解槽46とが分離される。   The opening 51 is provided so as to penetrate, for example, the multi-junction solar cell 17 and the oxidation catalyst layer 19 from the oxidation reaction electrolytic cell 45 side to the reduction reaction electrolytic cell 46 side, and the reduction catalyst layer 20 is subjected to oxidation reaction electrolysis. It is provided so as to penetrate from the tank 45 side to the reduction reaction electrolytic tank 46 side. Thereby, the ion exchange membrane 43 is provided in the opening 51. In other words, the oxidation reaction electrolytic cell 45 side and the reduction reaction electrolytic cell 46 are separated only by the ion exchange membrane 43.

イオン交換膜43は、特定のイオンのみを通過させる。これにより、酸化反応用電解槽45と還元反応用電解槽46との間で電解液を分離しつつ、イオン交換膜43が設けられた開口部51を介して特定のイオンのみを移動させることができる。また、開口部51のみならず、突出したイオン交換膜43の端部においてもイオンを移動させることができる。   The ion exchange membrane 43 allows only specific ions to pass through. Thus, only specific ions can be moved through the opening 51 provided with the ion exchange membrane 43 while separating the electrolytic solution between the oxidation reaction electrolytic tank 45 and the reduction reaction electrolytic tank 46. it can. Also, ions can be moved not only at the opening 51 but also at the end of the protruding ion exchange membrane 43.

図9乃至図11は、第1の実施形態に係る光化学反応装置の構造を示す平面図であり、主に開口部51の平面形状の一例を示す図である。   9 to 11 are plan views showing the structure of the photochemical reaction device according to the first embodiment, mainly showing an example of the planar shape of the opening 51.

図9に示すように、開口部51は、例えば、基板11、多接合型太陽電池17、酸化触媒層19、および還元触媒層20を貫通し、その平面形状が円形状の貫通孔52として形成される。この場合、複数の貫通孔52が形成されてもよい。複数の貫通孔52の配置構成は、例えば第1方向、および第1方向に直交する第2方向に四角格子状(正方格子状)である。   As shown in FIG. 9, for example, the opening 51 penetrates the substrate 11, the multijunction solar cell 17, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20, and the planar shape thereof is formed as a circular through hole 52. Is done. In this case, a plurality of through holes 52 may be formed. The arrangement configuration of the plurality of through holes 52 is, for example, a quadrangular lattice (tetragonal lattice) in the first direction and the second direction orthogonal to the first direction.

貫通孔52の直径(円相当径)の下限は、Hが移動可能な大きさであり、0.3nm以上であることが好ましい。なお、円相当径とは、((4×面積)/π)0.5で定義されるものである。 The lower limit of the diameter (equivalent circle diameter) of the through hole 52 is such a size that H + can move, and is preferably 0.3 nm or more. The equivalent circle diameter is defined by ((4 × area) / π) 0.5 .

なお、貫通孔52の平面形状は円形状に限らず、楕円形状、三角形状、または四角形状であってもよい。また、複数の貫通孔52の配置構成は、四角格子状に限らず、三角格子状またはランダムであってもよい。また、貫通孔52は、イオン交換膜43部分を除いて酸化触媒層19から還元触媒層20に至るまで連続した空隙を有していればよく、各層での貫通孔52の直径の大きさは同じである必要はない。例えば、酸化触媒層19から多接合型太陽電池17までの貫通孔52の直径の大きさと、還元触媒層20から多接合型太陽電池17までの貫通孔52の直径の大きさとが異なってもよい。また製造上、貫通孔52の側壁にバリやラフネスが生じる場合であってもその効果は失われない。   The planar shape of the through hole 52 is not limited to a circular shape, and may be an elliptical shape, a triangular shape, or a rectangular shape. Further, the arrangement configuration of the plurality of through holes 52 is not limited to a rectangular lattice shape, but may be a triangular lattice shape or a random lattice shape. Moreover, the through-hole 52 should just have the space | gap which continued from the oxidation catalyst layer 19 to the reduction catalyst layer 20 except the ion-exchange membrane 43 part, and the magnitude | size of the diameter of the through-hole 52 in each layer is as follows. It doesn't have to be the same. For example, the diameter of the through hole 52 from the oxidation catalyst layer 19 to the multijunction solar cell 17 may be different from the diameter of the through hole 52 from the reduction catalyst layer 20 to the multijunction solar cell 17. . Further, even if burrs and roughness are generated on the side wall of the through hole 52, the effect is not lost.

また、図10に示すように、開口部51は、例えば、基板11、多接合型太陽電池17、酸化触媒層19、および還元触媒層20を貫通し、その平面形状が長方形状のスリット53として形成される。この場合、複数のスリット53が形成されてもよい。複数のスリット53は、例えば第1方向に並行に延び、第2方向に並んで配置される。   Further, as shown in FIG. 10, the opening 51 penetrates, for example, the substrate 11, the multijunction solar cell 17, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20, and the planar shape thereof is a slit 53 having a rectangular shape. It is formed. In this case, a plurality of slits 53 may be formed. For example, the plurality of slits 53 extend in parallel in the first direction and are arranged side by side in the second direction.

スリット53の幅(短幅)の下限は、Hが移動可能な大きさであり、0.3nm以上であることが好ましい。 The lower limit of the width (short width) of the slit 53 is such a size that H + can move, and is preferably 0.3 nm or more.

また、図11に示すように、開口部51は、例えば、基板11、多接合型太陽電池17、酸化触媒層19、および還元触媒層20を分離し、その平面形状が長方形状のスリット54として形成される。すなわち、基板11、多接合型太陽電池17、酸化触媒層19、および還元触媒層20で構成される複数の積層体が形成され、これら複数の積層体間にスリット54が形成される。なお、複数の積層体が図示せぬフレーム等で支持される。この場合、複数のスリット54が形成されてもよい。複数のスリット54は、例えば第1方向に並行に延び、第2方向に並んで配置される。
[第1の実施形態の製造方法]
次に、第1の実施形態に係る光化学反応装置の製造方法について説明する。ここでは、イオン移動経路となる開口部51として貫通孔52を形成する場合を例に説明する。
As shown in FIG. 11, the opening 51 separates, for example, the substrate 11, the multijunction solar cell 17, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20, and has a planar shape as a slit 54. It is formed. That is, a plurality of laminated bodies composed of the substrate 11, the multi-junction solar cell 17, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20 are formed, and a slit 54 is formed between the plurality of laminated bodies. In addition, a some laminated body is supported by the flame | frame etc. which are not shown in figure. In this case, a plurality of slits 54 may be formed. For example, the plurality of slits 54 extend in parallel in the first direction and are arranged side by side in the second direction.
[Production Method of First Embodiment]
Next, the manufacturing method of the photochemical reaction device according to the first embodiment will be described. Here, the case where the through-hole 52 is formed as the opening part 51 used as an ion movement path | route is demonstrated to an example.

まず、基板11、反射層12、還元電極層13、多接合型太陽電池17、および酸化電極層18で構成される構造体を準備する。反射層12、還元電極層13、多接合型太陽電池17、および酸化電極層18は、基板11の表面上に順に形成される。太陽電池としては、pin接合半導体を使用した第1太陽電池14、第2太陽電池15、および第3太陽電池16からなる多接合型太陽電池17が用いられる。   First, a structure composed of the substrate 11, the reflective layer 12, the reduction electrode layer 13, the multijunction solar cell 17, and the oxidation electrode layer 18 is prepared. The reflective layer 12, the reduction electrode layer 13, the multi-junction solar cell 17, and the oxidation electrode layer 18 are sequentially formed on the surface of the substrate 11. As the solar cell, a multijunction solar cell 17 including a first solar cell 14, a second solar cell 15, and a third solar cell 16 using a pin junction semiconductor is used.

次に、酸化電極層18上に、例えばスパッタ法または塗布法により酸化触媒層19が形成される。酸化触媒層19は、例えば酸化マンガン(Mn−O)、酸化イリジウム(Ir−O)、酸化ニッケル(Ni−O)、酸化コバルト(Co−O)、酸化鉄(Fe−O)、または酸化ルテニウム(Ru−O)等の二元系金属酸化物、Ni−Co−O、La−Co−O、Ni−La−O、Sr−Fe−Oなどの三元系金属酸化物、Pb−Ru−Ir−O、La−Sr−Co−O等の四元系金属酸化物、もしくは、Ru錯体またはFe錯体等の金属錯体で構成される。また、酸化触媒層19の形態としては薄膜状に限らず、格子状、粒子状、ワイヤー状であってもよい。   Next, an oxidation catalyst layer 19 is formed on the oxidation electrode layer 18 by, for example, sputtering or coating. The oxidation catalyst layer 19 is made of, for example, manganese oxide (Mn—O), iridium oxide (Ir—O), nickel oxide (Ni—O), cobalt oxide (Co—O), iron oxide (Fe—O), or ruthenium oxide. Binary metal oxides such as (Ru—O), ternary metal oxides such as Ni—Co—O, La—Co—O, Ni—La—O, Sr—Fe—O, Pb—Ru— It is composed of a quaternary metal oxide such as Ir—O or La—Sr—Co—O, or a metal complex such as a Ru complex or an Fe complex. The form of the oxidation catalyst layer 19 is not limited to a thin film, but may be a lattice, a particle, or a wire.

また、基板11の裏面上に、例えば真空蒸着法、スパッタ法、または塗布法により還元触媒層20が形成される。還元触媒層20は、例えばAu、Ag、Cu、Pt、C、Ni、Zn、グラフェン、CNT、フラーレン、ケッチェンブラック、またはPd等の金属もしくはそれらを少なくとも1つ含む合金、あるいは、Ru錯体またはRe錯体等の金属錯体で構成される。また、還元触媒層20の形態としては薄膜状に限らず、格子状、粒子状、ワイヤー状であってもよい。   Further, the reduction catalyst layer 20 is formed on the back surface of the substrate 11 by, for example, a vacuum deposition method, a sputtering method, or a coating method. The reduction catalyst layer 20 is made of, for example, a metal such as Au, Ag, Cu, Pt, C, Ni, Zn, graphene, CNT, fullerene, ketjen black, or Pd, or an alloy containing at least one of them, or a Ru complex or It is composed of a metal complex such as an Re complex. Further, the form of the reduction catalyst layer 20 is not limited to a thin film shape, and may be a lattice shape, a particle shape, or a wire shape.

このようにして、基板11、反射層12、還元電極層13、多接合型太陽電池17、酸化電極層18、酸化触媒層19、および還元触媒層20の積層体で構成される光化学反応セルが形成される。   Thus, a photochemical reaction cell composed of a laminate of the substrate 11, the reflective layer 12, the reduction electrode layer 13, the multijunction solar cell 17, the oxidation electrode layer 18, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20. It is formed.

次に、この光化学反応セルに、酸化触媒層19から還元触媒層20まで貫通する貫通孔52が形成される。   Next, a through hole 52 penetrating from the oxidation catalyst layer 19 to the reduction catalyst layer 20 is formed in the photochemical reaction cell.

貫通孔52の形成方法としては、例えば、マスクパターンを形成した後にエッチングする方法がある。より具体的には、酸化触媒層19上(表面側)または還元触媒層20上(裏面側)にマスクパターンを形成した後、このマスクパターンを用いて基板11、反射層12、還元電極層13、多接合型太陽電池17、酸化電極層18、酸化触媒層19、および還元触媒層20をエッチングする。   As a method of forming the through hole 52, for example, there is a method of etching after forming a mask pattern. More specifically, after a mask pattern is formed on the oxidation catalyst layer 19 (front surface side) or the reduction catalyst layer 20 (back surface side), the substrate 11, the reflective layer 12, and the reduction electrode layer 13 are formed using this mask pattern. The multi-junction solar cell 17, the oxidation electrode layer 18, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20 are etched.

マスクパターンの形成方法としては、一般的な光リソグラフィ、または電子線リソグラフィにより形成する方法が挙げられる。また、インプリントを用いた方法、ブロックコポリマーや粒子の自己組織化パターンを利用した方法であってもよい。エッチング方法としては、反応性ガス、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチング、または、酸溶液やアルカリ溶液を用いたウェットエッチングが挙げられる。また、レーザ加工、プレス加工、または切削加工による直接加工も工程数が少ない利点があり、有用である。   Examples of the method for forming the mask pattern include a method of forming by general optical lithography or electron beam lithography. Moreover, the method using an imprint, the method using the self-organization pattern of a block copolymer or particle | grains may be used. Examples of the etching method include dry etching using a reactive gas such as chlorine gas, or wet etching using an acid solution or an alkali solution. Further, direct processing by laser processing, press processing, or cutting processing has an advantage that the number of steps is small and is useful.

このようにして、基板11、反射層12、還元電極層13、多接合型太陽電池17、酸化電極層18、酸化触媒層19、および還元触媒層20に貫通孔52が形成される。その後、貫通孔52が形成された光化学反応セルが電解槽31内に設置され、光化学反応装置が形成される。
[第1の実施形態の効果]
上記第1の実施形態によれば、光化学反応装置は、酸化触媒層19、還元触媒層20、およびこれらの間に形成された多接合型太陽電池17の積層体で構成される光化学反応セルと、酸化触媒層19と還元触媒層20との間でイオン(H)を移動させるイオン移動経路と、を備える。これにより、酸化触媒層19で発生するHを、イオン移動経路を介して還元触媒層20に輸送することが可能になる。その結果、還元触媒層20におけるCOの還元分解反応を促進することができ、高い光還元効率を得ることが可能である。
In this way, through holes 52 are formed in the substrate 11, the reflective layer 12, the reduction electrode layer 13, the multijunction solar cell 17, the oxidation electrode layer 18, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20. Then, the photochemical reaction cell in which the through-hole 52 was formed is installed in the electrolytic cell 31, and a photochemical reaction apparatus is formed.
[Effect of the first embodiment]
According to the first embodiment, the photochemical reaction device includes an oxidation catalyst layer 19, a reduction catalyst layer 20, and a photochemical reaction cell including a multilayer body of multijunction solar cells 17 formed therebetween. And an ion movement path for moving ions (H + ) between the oxidation catalyst layer 19 and the reduction catalyst layer 20. As a result, H + generated in the oxidation catalyst layer 19 can be transported to the reduction catalyst layer 20 via the ion transfer path. As a result, CO 2 reductive decomposition reaction in the reduction catalyst layer 20 can be promoted, and high photoreduction efficiency can be obtained.

ところで、酸化触媒層19付近におけるHOの酸化および還元触媒層20付近におけるCOの還元に必要なエネルギー(電位)は、多接合型太陽電池17で発生した起電力によって供給される。通常、比較例における太陽電池では電荷分離された光励起電子を取り出すために電極が設けられているが、光を入射するため透明な電極が使用されている。しかしながら、透明性のある電極は抵抗が高いため、電気を取り出す効率が低下してしまう。このため、補助電極として透明性の無い金属配線等を透明電極に接続する場合もある。しかし、この場合、金属配線によって光が遮断されて光の入射量が減少するため、効率が低下してしまう。また、金属配線は長くかつ細く形成され、その金属配線を介して電気(電子)を収集するため、抵抗が高くなってしまう。 By the way, the energy (potential) required for the oxidation of H 2 O in the vicinity of the oxidation catalyst layer 19 and the reduction of CO 2 in the vicinity of the reduction catalyst layer 20 is supplied by the electromotive force generated in the multi-junction solar cell 17. Usually, in the solar cell in the comparative example, an electrode is provided for taking out the photoexcited electrons subjected to charge separation, but a transparent electrode is used for entering light. However, since the transparent electrode has high resistance, the efficiency of taking out electricity is reduced. For this reason, a non-transparent metal wiring or the like may be connected to the transparent electrode as an auxiliary electrode. However, in this case, the light is blocked by the metal wiring and the amount of incident light is reduced, so that the efficiency is lowered. Further, the metal wiring is formed long and thin, and electricity (electrons) is collected through the metal wiring, so that the resistance becomes high.

これに対し、第1の実施形態では、多接合型太陽電池17の表面および裏面に、平板状の酸化触媒層19および還元触媒層20が形成される。このため、多接合型太陽電池17が電荷分離したその場で触媒によって酸化還元反応が起こる。言い換えると、多接合型太陽電池17の全面で電荷分離が起こり、酸化触媒層19および還元触媒層20の全面で酸化還元反応が起こる。これにより、金属配線等によって抵抗が大きくなることはなく、多接合型太陽電池17によって生じた起電力を効率良く酸化触媒層19および還元触媒層20に印加することができる。また、金属配線等を形成する必要がないため、構造の簡略化を図ることもできる。   On the other hand, in the first embodiment, the planar oxidation catalyst layer 19 and the reduction catalyst layer 20 are formed on the front and back surfaces of the multi-junction solar cell 17. For this reason, an oxidation-reduction reaction takes place by the catalyst on the spot where the multi-junction solar cell 17 is separated by charge. In other words, charge separation occurs over the entire surface of the multi-junction solar cell 17, and a redox reaction occurs over the entire surface of the oxidation catalyst layer 19 and the reduction catalyst layer 20. Thereby, resistance is not increased by metal wiring or the like, and the electromotive force generated by the multi-junction solar cell 17 can be efficiently applied to the oxidation catalyst layer 19 and the reduction catalyst layer 20. In addition, since it is not necessary to form metal wiring or the like, the structure can be simplified.

また、比較例における太陽電池から金属配線によって電気を収集して反応させる場合、構造が複雑化してしまうため電極以外の面積が大きくなる。このため、小型化を図るために電極面積は小さくなり、高電流密度での反応をする必要がある。この場合、高電流密度で反応可能な高性能触媒は限られており、貴金属を用いることが多い。   In addition, when electricity is collected from the solar cell in the comparative example by the metal wiring and reacted, the structure becomes complicated and the area other than the electrode becomes large. For this reason, in order to reduce the size, the electrode area is reduced, and it is necessary to react at a high current density. In this case, high-performance catalysts capable of reacting at a high current density are limited, and noble metals are often used.

これに対し、第1の実施形態では、多接合型太陽電池17と酸化触媒層19および還元触媒層20とを積層させた構造であるため、電極以外の面積は不要となる。このため、小型化を図っても電極面積を大きくすることができ、比較的低電流密度で反応可能である。これにより、触媒金属の選択肢が広く汎用金属を用いることができ、また、反応の選択性を得ることも容易である。   On the other hand, in the first embodiment, since the multi-junction solar cell 17, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20 are stacked, an area other than the electrodes is unnecessary. For this reason, even if the size is reduced, the electrode area can be increased, and the reaction is possible at a relatively low current density. As a result, a wide range of options for the catalyst metal can be used, and a general-purpose metal can be used. It is also easy to obtain reaction selectivity.

以下に、第1の実施形態において、イオン移動経路として貫通孔52を形成した場合におけるCOの光還元効率について説明する。 Hereinafter, in the first embodiment, the photoreduction efficiency of CO 2 when the through hole 52 is formed as the ion movement path will be described.

図12は、比較例に対する実施例1におけるCOの光還元効率を示す実験結果である。より具体的には、比較例におけるCOの光還元効率を1.00にした場合の実施例1(1−1〜1−12)におけるCOの光還元効率を相対化したものである。以下に、図12についてより詳細に説明する。 FIG. 12 is an experimental result showing the photoreduction efficiency of CO 2 in Example 1 with respect to the comparative example. More specifically, the photoreduction efficiency of CO 2 in Example 1 (1-1 to 1-12) when the photoreduction efficiency of CO 2 in the comparative example is set to 1.00 is made relative. Hereinafter, FIG. 12 will be described in more detail.

実施例1は、第1の実施形態に係る光化学反応装置における光化学反応セルの一例である。より具体的には、実施例1における光化学反応セルは、H輸送のみが可能な貫通孔52を有し、その円相当径が比較的大きいものである。ここでは、貫通孔52の円相当径を50,100,200μm、面積率を10,20,30,40%とした異なる12種(評価セル番号1−1〜1−12)の光化学反応セルを作製し、そのCOの光還元効率を評価した。これら実施例1における光化学反応セルは、以下のように作製された。 Example 1 is an example of a photochemical reaction cell in the photochemical reaction device according to the first embodiment. More specifically, the photochemical reaction cell in Example 1 has a through-hole 52 that can only transport H + and has a relatively large equivalent circle diameter. Here, 12 different types of photochemical reaction cells (evaluation cell numbers 1-1 to 1-12) having an equivalent circle diameter of the through-hole 52 of 50, 100, 200 μm and an area ratio of 10, 20, 30, 40% were used. It was prepared and its photoreduction efficiency of CO 2 was evaluated. These photochemical reaction cells in Example 1 were produced as follows.

まず、pin型のa−Si層、a−SiGe層、およびa−SiGe層からなる多接合型太陽電池17、多接合型太陽電池17の表面上に形成されたITOからなる酸化電極層18、多接合型太陽電池17の裏面上に形成されたZnOからなる還元電極層13、還元電極層13の裏面上に形成されたAgからなる反射層12、および反射層12の裏面上に形成されたSUS基板11を有する構造体を準備する。ここで、多接合型太陽電池17の膜厚は500nm、酸化電極層18の膜厚は100nm、還元電極層13の膜厚は300nm、反射層12の膜厚は200nm、SUS基板11の膜厚は1.5mmとする。また、酸化触媒層19は多接合半導体のp型面上に、還元触媒層20はn型面上に配置される。   First, a multi-junction solar cell 17 composed of a pin-type a-Si layer, an a-SiGe layer, and an a-SiGe layer, an oxidation electrode layer 18 composed of ITO formed on the surface of the multi-junction solar cell 17, The reduction electrode layer 13 made of ZnO formed on the back surface of the multi-junction solar cell 17, the reflective layer 12 made of Ag formed on the back surface of the reduction electrode layer 13, and the back surface of the reflection layer 12. A structure having the SUS substrate 11 is prepared. Here, the multi-junction solar cell 17 has a thickness of 500 nm, the oxidation electrode layer 18 has a thickness of 100 nm, the reduction electrode layer 13 has a thickness of 300 nm, the reflective layer 12 has a thickness of 200 nm, and the SUS substrate 11 has a thickness. Is 1.5 mm. The oxidation catalyst layer 19 is disposed on the p-type surface of the multijunction semiconductor, and the reduction catalyst layer 20 is disposed on the n-type surface.

次に、酸化電極層18の表面上にスパッタ法によりCoからなる酸化触媒層19が形成される。また、SUS基板11の裏面上に真空蒸着法によりAuからなる還元触媒層20が形成される。ここで、酸化触媒層19の膜厚は100nm、還元触媒層20の膜厚は100nmとする。 Next, an oxidation catalyst layer 19 made of Co 3 O 4 is formed on the surface of the oxidation electrode layer 18 by sputtering. Further, a reduction catalyst layer 20 made of Au is formed on the back surface of the SUS substrate 11 by vacuum deposition. Here, the film thickness of the oxidation catalyst layer 19 is 100 nm, and the film thickness of the reduction catalyst layer 20 is 100 nm.

このように、基板11、反射層12、還元電極層13、多接合型太陽電池17、酸化電極層18、酸化触媒層19、および還元触媒層20からなる積層体(セル)が形成される。その後、この積層体に対してソーラーシミュレーター(AM1.5、1000W/m)により酸化触媒層19面側から光を照射し、そのときのセルの開放電圧を測定する。その結果、セルの開放電圧を1.9[V]とする。 In this manner, a laminate (cell) including the substrate 11, the reflective layer 12, the reduction electrode layer 13, the multi-junction solar cell 17, the oxidation electrode layer 18, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20 is formed. Thereafter, the laminate is irradiated with light from the surface of the oxidation catalyst layer 19 by a solar simulator (AM1.5, 1000 W / m 2 ), and the open voltage of the cell at that time is measured. As a result, the open circuit voltage of the cell is set to 1.9 [V].

次に、セルに貫通孔52が形成される。貫通孔52は、得られたセルにレーザ光が照射されることで形成される。レーザ光の照射条件としては、波長を515nm、パルス幅を15ps、繰り返し周波数を82MHzとする。このレーザ光を10倍の対物レンズで集光させてセルに照射する。これにより、セルに配置構成が三角格子状の複数の貫通孔52が形成される。その後、各貫通孔52が垂直形状になるように、再度レーザ光を用いてトリミングする。   Next, the through hole 52 is formed in the cell. The through-hole 52 is formed by irradiating the obtained cell with laser light. The laser light irradiation conditions are a wavelength of 515 nm, a pulse width of 15 ps, and a repetition frequency of 82 MHz. This laser beam is condensed by a 10 × objective lens and irradiated to the cell. As a result, a plurality of through holes 52 having a triangular lattice shape are formed in the cell. Thereafter, trimming is again performed using laser light so that each through hole 52 has a vertical shape.

次に、貫通孔52が形成されたセルを正方形状に切断して、エッジ部分をエポキシ樹脂で封止し、露出部分の面積が1cmになるようにする。その後、光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡で貫通孔52が100個程度収まる画角で撮影した後、画像処理ソフトによって各セルの貫通孔52の平均円相当径および面積率を計測する。このようにして、実施例1における光化学反応セル(評価セル番号1−1〜1−12)が作製された。 Next, the cell in which the through hole 52 is formed is cut into a square shape, and the edge portion is sealed with an epoxy resin so that the area of the exposed portion becomes 1 cm 2 . Then, after photographing with an optical microscope or a scanning electron microscope at an angle of view where about 100 through-holes 52 are contained, the average equivalent circle diameter and area ratio of the through-holes 52 of each cell are measured by image processing software. Thus, photochemical reaction cells (evaluation cell numbers 1-1 to 1-12) in Example 1 were produced.

これに対し、比較例は、貫通孔52を有さない光化学反応セルであり、貫通孔52以外については実施例1と同様の構造を有するものである。   On the other hand, the comparative example is a photochemical reaction cell that does not have the through-hole 52, and has a structure similar to that of the first embodiment except for the through-hole 52.

また、COの光還元効率は、以下のように測定された。まず、COガスを10分間バブリングした0.1M(mol/l)のKHCO溶液を含む閉鎖系の水槽(電解槽31)中にセルを浸漬させる。次に、ソーラーシミュレーター(AM1.5、1000W/m)により酸化触媒層19面側から光を10分間照射する。その後、水槽中のガスの定量分析をガスクロマトグラム質量分析(GCMS)により行った。分析の結果、検出されたガス種は、O、H、およびCOであった。発生したCOは、COの還元によって発生したものである。比較例におけるセルで得られたCOの発生量を1.00として、実施例1における各種セルで得られたCOの量を相対値で算出したものをCOの光還元効率とした。 Moreover, the photoreduction efficiency of CO 2 was measured as follows. First, the cell is immersed in a closed water tank (electrolysis tank 31) containing a 0.1M (mol / l) KHCO 3 solution in which CO 2 gas is bubbled for 10 minutes. Next, light is irradiated for 10 minutes from the oxidation catalyst layer 19 surface side by a solar simulator (AM1.5, 1000 W / m 2 ). Then, the quantitative analysis of the gas in a water tank was performed by gas chromatogram mass spectrometry (GCMS). As a result of the analysis, the detected gas species were O 2 , H 2 , and CO. The generated CO is generated by reduction of CO 2 . The amount of CO generated in the cell in the comparative example was set to 1.00, and the amount of CO obtained in the various cells in Example 1 calculated as a relative value was defined as the photoreduction efficiency of CO 2 .

図12に示すように、実施例1において貫通孔52の円相当径が同じ場合、貫通孔52の面積率が小さいほど比較例と比較して高いCOの光還元効率が得られる。より具体的には、貫通孔52の円相当径がいずれの場合であっても、貫通孔52の面積率が10,20,30%であれば、高いCOの光還元効率が得られる。これは、貫通孔52の面積率を最小限にすることで、多接合型太陽電池17の面積縮小を抑制して光の吸収損失による効率低下を抑制しつつ、H輸送改善による効率向上が反映されているためである。しかしながら、面積率が40%以上では、H輸送改善による効率向上以上に光の吸収損失による効率低下の寄与が大きく、得られる効果は比較例よりも低いものとなった。また、実施例1の結果より、セルの貫通孔52の面積率としては40%以下、より好ましくは10%以下であることが望ましいといえる。しかしながら、第2の実施形態で後述するように光の回折、散乱効果を利用できる場合、面積率としてはこの限りでない。 As shown in FIG. 12, when the equivalent circle diameter of the through hole 52 is the same in Example 1, the smaller the area ratio of the through hole 52, the higher the CO 2 photoreduction efficiency compared to the comparative example. More specifically, regardless of the equivalent circle diameter of the through hole 52, high CO 2 photoreduction efficiency can be obtained if the area ratio of the through hole 52 is 10, 20, and 30%. This is to minimize the area ratio of the through-hole 52, while suppressing the decrease in efficiency due to the absorption loss of light by suppressing the area reduction of the multijunction solar cell 17, the efficiency improvement by H + transport improvement This is because it is reflected. However, when the area ratio is 40% or more, the contribution of the decrease in efficiency due to the absorption loss of light is greater than the improvement in efficiency due to the improvement of H + transport, and the obtained effect is lower than that of the comparative example. From the results of Example 1, it can be said that the area ratio of the through-holes 52 of the cell is preferably 40% or less, more preferably 10% or less. However, when the light diffraction and scattering effects can be used as described later in the second embodiment, the area ratio is not limited to this.

また、実施例1において貫通孔52の面積率が同じ場合、貫通孔52の円相当径が大きいほど比較例と比較して高いCOの光還元効率が得られる。これは、円相当径が大きい貫通孔52から構成される構造体の方が単位面積当たりの加工領域(加工面積)が大きく、加工ダメージの影響が小さいためである。 In Example 1, when the through hole 52 has the same area ratio, the larger the equivalent circle diameter of the through hole 52, the higher the CO 2 photoreduction efficiency compared to the comparative example. This is because the structure composed of the through-holes 52 having a larger equivalent circle diameter has a larger processing area (processing area) per unit area and is less affected by processing damage.

このように、第1の実施形態において、イオン移動経路として貫通孔52を形成した場合、貫通孔52の円相当径と面積率とを調整することで、比較例と比較して高いCOの光還元効率を得ることができる。
<2−2.第2の実施形態>
図13乃至図19を用いて、第2の実施形態に係る光化学反応装置について説明する。
As described above, in the first embodiment, when the through hole 52 is formed as the ion movement path, by adjusting the equivalent circle diameter and the area ratio of the through hole 52, the CO 2 having a higher CO 2 than the comparative example. Photoreduction efficiency can be obtained.
<2-2. Second Embodiment>
A photochemical reaction device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 13 to 19.

図12における実験結果によれば、イオン移動経路として貫通孔52を形成した場合におけるCOの光還元効率は、主に、貫通孔52によるH輸送効率だけでなく、多接合型太陽電池17による光の吸収量によっても決まる。これは、光化学反応セルに貫通孔52を設けた場合、多接合型太陽電池17の面積が縮小し、それによる光吸収量の低下が生じてしまうためである。その結果、光によって生成される電子および正孔の数が減少し、酸化還元反応の反応効率が低下してしまう。このため、貫通孔52の形成によって生じる多接合型太陽電池17による光の吸収量の損失を抑制することが求められる。 According to the experimental results in FIG. 12, the photoreduction efficiency of CO 2 when the through hole 52 is formed as the ion migration path is mainly not only the H + transport efficiency by the through hole 52 but also the multijunction solar cell 17. It is also determined by the amount of light absorbed by. This is because when the through-hole 52 is provided in the photochemical reaction cell, the area of the multi-junction solar cell 17 is reduced, resulting in a decrease in light absorption. As a result, the number of electrons and holes generated by light decreases, and the reaction efficiency of the oxidation-reduction reaction decreases. For this reason, it is required to suppress the loss of light absorption by the multi-junction solar cell 17 caused by the formation of the through hole 52.

これに対し、第2の実施形態は、貫通孔52のサイズ、形状、または構造を調整することで、多接合型太陽電池17の面積縮小に伴う光の吸収量の損失を抑制する例である。以下に、第2の実施形態について詳説する。なお、第2の実施形態において、上記第1の実施形態と同様の点については説明を省略し、主に異なる点について説明する。
[第2の実施形態の構造]
まず、第2の実施形態に係る光化学反応装置の構造について説明する。
On the other hand, 2nd Embodiment is an example which suppresses the loss of the amount of light absorption accompanying the area reduction of the multijunction type solar cell 17 by adjusting the size, shape, or structure of the through-hole 52. . The second embodiment will be described in detail below. Note that in the second embodiment, description of the same points as in the first embodiment will be omitted, and different points will be mainly described.
[Structure of Second Embodiment]
First, the structure of the photochemical reaction device according to the second embodiment will be described.

図13は、第2の実施形態に係る光化学反応装置の構造を示す断面図であり、図9に示すA−A線に沿った断面図である。   FIG. 13 is a cross-sectional view showing the structure of the photochemical reaction device according to the second embodiment, and is a cross-sectional view along the line AA shown in FIG.

図13に示すように、第2の実施形態において、第1の実施形態と異なる点は、貫通孔52のサイズが規定される点である。より具体的には、貫通孔52の周期幅(pitch)w1が3μm以下、もしくは円相当径(diameter)w2が1μm以下である。すなわち、第2の実施形態における貫通孔52は比較的微細に形成される。この根拠について、以下に説明する。   As shown in FIG. 13, the second embodiment is different from the first embodiment in that the size of the through hole 52 is defined. More specifically, the periodic width (pitch) w1 of the through hole 52 is 3 μm or less, or the equivalent circle diameter (diameter) w2 is 1 μm or less. That is, the through hole 52 in the second embodiment is formed relatively finely. The basis for this will be described below.

図14は、第2の実施形態に係る光化学反応装置における貫通孔52の周期幅w1と多接合型太陽電池17による光の吸収率との関係を示すグラフである。図15は、第2の実施形態に係る光化学反応装置における貫通孔52の円相当径w2と多接合型太陽電池17による光の吸収率との関係を示すグラフである。   FIG. 14 is a graph showing the relationship between the periodic width w1 of the through hole 52 and the light absorptance of the multi-junction solar cell 17 in the photochemical reaction device according to the second embodiment. FIG. 15 is a graph showing the relationship between the equivalent circle diameter w2 of the through hole 52 and the light absorption rate by the multi-junction solar cell 17 in the photochemical reaction device according to the second embodiment.

ここでは、膜厚550nmのa−Si層に正方格子状の配置構成である複数の貫通孔52を形成した際のRCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis)法により求めた太陽光吸収量を示す。より具体的には、Diffract MD(Rsoft社製)を用いて入射光が試料面に垂直入射した際の波長300〜1000nmまでの光吸収率α(λ)を計算した後、太陽光スペクトルI(λ)を乗じて太陽光吸収量A=Σα(λ)×I(λ)を算出した。図14および図15はそれぞれ、貫通孔52を有さない場合の光化学反応装置(以下、比較例)の太陽光吸収量を1としたときの相対値を示している。なお、貫通孔52の面積率は、9,30,50,70%で計算している。   Here, the amount of solar light absorption obtained by the RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) method when a plurality of through-holes 52 having a square lattice-like arrangement configuration are formed in an a-Si layer having a thickness of 550 nm is shown. More specifically, after calculating the light absorption rate α (λ) up to a wavelength of 300 to 1000 nm when incident light is perpendicularly incident on the sample surface using Diffract MD (manufactured by Rsoft), the solar spectrum I ( The amount of sunlight absorbed A = Σα (λ) × I (λ) was calculated by multiplying by λ). FIG. 14 and FIG. 15 each show a relative value when the amount of sunlight absorbed by the photochemical reaction device (hereinafter referred to as a comparative example) without the through hole 52 is 1. The area ratio of the through hole 52 is calculated as 9, 30, 50, 70%.

図14に示すように、貫通孔52の周期幅w1が大きくなると、光の吸収率は比較例と比べて小さくなる(1以下になる)。同様に、図15に示すように、貫通孔52の円相当径w2が大きくなると、光の吸収率は比較例と比べて小さくなる。これは、入射光と貫通孔構造が幾何光学的に相互作用し、貫通孔52の体積分だけ光の吸収量が低下するためである。   As shown in FIG. 14, when the periodic width w1 of the through-hole 52 is increased, the light absorption rate is reduced as compared with the comparative example (becomes 1 or less). Similarly, as shown in FIG. 15, when the equivalent circle diameter w <b> 2 of the through hole 52 is increased, the light absorption rate is reduced as compared with the comparative example. This is because the incident light and the through-hole structure interact geometrically and the amount of light absorption is reduced by the volume of the through-hole 52.

しかしながら、周期幅w1が3μm以下、もしくは円相当径w2が1μm以下である場合、比較例と比べて吸収量の低下はなく、高い吸収量を得ることも可能となる。これは、形成された貫通孔構造により入射光がa−Si層内で回折および散乱されるためである。すなわち、回折および散乱によって、入射光がa−Si層内に侵入し、さらに光路長が長くなり、a−Si層による光の吸収量が増加したためだと考えられる。   However, when the periodic width w1 is 3 μm or less or the equivalent circle diameter w2 is 1 μm or less, the amount of absorption does not decrease compared to the comparative example, and a high amount of absorption can be obtained. This is because incident light is diffracted and scattered in the a-Si layer by the formed through-hole structure. That is, it is considered that incident light enters the a-Si layer due to diffraction and scattering, further increases the optical path length, and increases the amount of light absorbed by the a-Si layer.

なお、配置構成が正方格子状である複数の貫通孔52について説明したが、配置構成が三角格子状であっても同様の結果が得られる。また、貫通孔52の平面形状は、円形状に限らず、楕円形状、四角形状、または三角形状であってもよい。また、規則的な形状および配置でなくてもよく、周期および径に揺らぎを持った構造であれば回折効果は得られるし、さらにランダムな構造体であっても光散乱効果により光吸収量の増加が得られる。
[第2の実施形態の製造方法]
次に、第2の実施形態に係る光化学反応装置の製造方法について説明する。
In addition, although the plurality of through holes 52 whose arrangement configuration is a square lattice shape has been described, the same result can be obtained even when the arrangement configuration is a triangular lattice shape. Further, the planar shape of the through hole 52 is not limited to a circular shape, and may be an elliptical shape, a quadrangular shape, or a triangular shape. In addition, it does not have to be a regular shape and arrangement, and a diffraction effect can be obtained if the structure has fluctuations in period and diameter, and even a random structure can reduce the amount of light absorbed by the light scattering effect. An increase is obtained.
[Manufacturing Method of Second Embodiment]
Next, a method for manufacturing a photochemical reaction device according to the second embodiment will be described.

まず、第1の実施形態と同様に、基板11、反射層12、還元電極層13、多接合型太陽電池17、酸化電極層18、酸化触媒層19、および還元触媒層20の積層体で構成される光化学反応セルが形成される。   First, as in the first embodiment, the substrate 11, the reflective layer 12, the reduction electrode layer 13, the multi-junction solar cell 17, the oxidation electrode layer 18, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20 are configured. A photochemical reaction cell is formed.

次に、この光化学反応セルに、酸化触媒層19から還元触媒層20まで貫通する貫通孔52が形成される。   Next, a through hole 52 penetrating from the oxidation catalyst layer 19 to the reduction catalyst layer 20 is formed in the photochemical reaction cell.

より具体的には、まず、酸化触媒層19上に、レジストが塗布され、ベークされる。その後、レジストに露光装置または電子線描画装置で光または電子線を照射した後、プリベークおよび現像処理によりレジストパターンが形成される。   More specifically, first, a resist is applied on the oxidation catalyst layer 19 and baked. Thereafter, the resist is irradiated with light or an electron beam by an exposure apparatus or an electron beam drawing apparatus, and then a resist pattern is formed by pre-baking and development processing.

次に、RIE(Reactive Ion Etching)により、レジストパターンをマスクとして、酸化触媒層19から還元触媒層20に至るまでエッチングが行われる。すなわち、酸化触媒層19、酸化電極層18、多接合型太陽電池17、還元電極層13、反射層12、基板11、および還元触媒層20が順にエッチングされる。その後、アッシング処理によりレジストが除去される。   Next, etching is performed from the oxidation catalyst layer 19 to the reduction catalyst layer 20 by RIE (Reactive Ion Etching) using the resist pattern as a mask. That is, the oxidation catalyst layer 19, the oxidation electrode layer 18, the multi-junction solar cell 17, the reduction electrode layer 13, the reflection layer 12, the substrate 11, and the reduction catalyst layer 20 are etched in order. Thereafter, the resist is removed by an ashing process.

このようにして、基板11、反射層12、還元電極層13、多接合型太陽電池17、酸化電極層18、酸化触媒層19、および還元触媒層20に貫通孔52が形成される。その後、貫通孔52が形成された光化学反応セルが電解槽31内に設置され、光化学反応装置が形成される。   In this way, through holes 52 are formed in the substrate 11, the reflective layer 12, the reduction electrode layer 13, the multijunction solar cell 17, the oxidation electrode layer 18, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20. Then, the photochemical reaction cell in which the through-hole 52 was formed is installed in the electrolytic cell 31, and a photochemical reaction apparatus is formed.

ここで、基板11は、膜厚が大きく、RIE等のドライエッチングでは加工が困難な材料で形成され得る。このため、基板11に対して、第2の実施形態における微細な貫通孔52を形成することが困難になる。このような製造上の観点から、図16に示すように、貫通孔52を以下のように形成してもよい。   Here, the substrate 11 has a large film thickness and can be formed of a material that is difficult to process by dry etching such as RIE. For this reason, it becomes difficult to form the fine through holes 52 in the second embodiment on the substrate 11. From such a manufacturing point of view, as shown in FIG. 16, the through hole 52 may be formed as follows.

まず、酸化触媒層19上(表面上)に、レジストが塗布され、ベークされる。その後、レジストに露光装置または電子線描画装置で光または電子線を照射した後、プリベークおよび現像処理によりレジストパターンが形成される。   First, a resist is applied and baked on the oxidation catalyst layer 19 (on the surface). Thereafter, the resist is irradiated with light or an electron beam by an exposure apparatus or an electron beam drawing apparatus, and then a resist pattern is formed by pre-baking and development processing.

次に、RIEにより、レジストパターンをマスクとして、酸化触媒層19から反射層12に至るまでエッチングが行われる。すなわち、表面側から酸化触媒層19、酸化電極層18、多接合型太陽電池17、還元電極層13、および反射層12が順にエッチングされ、貫通孔52が形成される。このとき、基板11および還元触媒層20は、エッチングされない。その後、アッシング処理によりレジストが除去される。   Next, etching is performed by RIE from the oxidation catalyst layer 19 to the reflective layer 12 using the resist pattern as a mask. That is, the oxidation catalyst layer 19, the oxidation electrode layer 18, the multijunction solar cell 17, the reduction electrode layer 13, and the reflection layer 12 are sequentially etched from the surface side, and the through hole 52 is formed. At this time, the substrate 11 and the reduction catalyst layer 20 are not etched. Thereafter, the resist is removed by an ashing process.

次に、加工した酸化触媒層19、酸化電極層18、多接合型太陽電池17、還元電極層13、および反射層12の露出面に、レジストを形成して保護する。その後、還元触媒層20上(裏面上)に、レジストが塗布され、ベークされる。その後、レジストに露光装置または電子線描画装置で光または電子線を照射した後、プリベークおよび現像処理によりレジストパターンが形成される。   Next, a resist is formed and protected on the exposed surfaces of the processed oxidation catalyst layer 19, oxidation electrode layer 18, multi-junction solar cell 17, reduction electrode layer 13, and reflection layer 12. Thereafter, a resist is applied on the reduction catalyst layer 20 (on the back surface) and baked. Thereafter, the resist is irradiated with light or an electron beam by an exposure apparatus or an electron beam drawing apparatus, and then a resist pattern is formed by pre-baking and development processing.

次に、ウェットエッチングにより、レジストパターンをマスクとして、還元触媒層20から基板11に至るまでエッチングが行われる。すなわち、裏面側から還元触媒層20および基板11が順にエッチングされる。   Next, etching is performed by wet etching from the reduction catalyst layer 20 to the substrate 11 using the resist pattern as a mask. That is, the reduction catalyst layer 20 and the substrate 11 are etched in order from the back side.

このとき、基板11および還元触媒層20は、ウェットエッチングにより、等方的にエッチングされる。このため、図16に示すように、基板11および還元触媒層20には、貫通孔52よりも円相当径が大きい貫通孔62が形成される。   At this time, the substrate 11 and the reduction catalyst layer 20 are isotropically etched by wet etching. For this reason, as shown in FIG. 16, a through hole 62 having a larger equivalent circle diameter than the through hole 52 is formed in the substrate 11 and the reduction catalyst layer 20.

その後、有機溶媒中で超音波洗浄することにより、酸化触媒層19、酸化電極層18、多接合型太陽電池17、還元電極層13、および反射層12上のレジストおよび還元触媒層20上のレジストが除去される。   Thereafter, the resist on the oxidation catalyst layer 19, the oxidation electrode layer 18, the multijunction solar cell 17, the reduction electrode layer 13, and the reflection layer 12 and the resist on the reduction catalyst layer 20 are subjected to ultrasonic cleaning in an organic solvent. Is removed.

このようにして、酸化触媒層19、酸化電極層18、多接合型太陽電池17、還元電極層13、および反射層12に貫通孔52が形成され、還元触媒層20および基板11に貫通孔62が形成される。その後、貫通孔52が形成された光化学反応セルが電解槽31内に設置され、光化学反応装置が形成される。
[第2の実施形態の効果]
上記第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
In this way, the through hole 52 is formed in the oxidation catalyst layer 19, the oxidation electrode layer 18, the multi-junction solar cell 17, the reduction electrode layer 13, and the reflection layer 12, and the through hole 62 is formed in the reduction catalyst layer 20 and the substrate 11. Is formed. Then, the photochemical reaction cell in which the through-hole 52 was formed is installed in the electrolytic cell 31, and a photochemical reaction apparatus is formed.
[Effects of Second Embodiment]
According to the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

さらに、第2の実施形態によれば、光化学反応セルに形成される貫通孔52の周期幅w1を3μm以下にし、円相当径w2を1μm以下にする。これにより、入射光を回折および散乱させることができる。その結果、貫通孔52面に入射してきた光が多接合型太陽電池17内に侵入するため、多接合型太陽電池17による光の吸収量の損失を抑制することができる。さらに、光路長が長くなることで、多接合型太陽電池17による光の吸収量を増加させることも可能である。   Furthermore, according to the second embodiment, the periodic width w1 of the through-hole 52 formed in the photochemical reaction cell is 3 μm or less, and the equivalent circle diameter w2 is 1 μm or less. Thereby, incident light can be diffracted and scattered. As a result, the light incident on the surface of the through-hole 52 enters the multi-junction solar cell 17, so that loss of light absorption by the multi-junction solar cell 17 can be suppressed. Further, the amount of light absorbed by the multi-junction solar cell 17 can be increased by increasing the optical path length.

以下に、第2の実施形態におけるCOの光還元効率について説明する。 Hereinafter, the photoreduction efficiency of CO 2 in the second embodiment will be described.

図17は、比較例に対する実施例2におけるCOの光還元効率を示す実験結果である。より具体的には、比較例におけるCOの光還元効率を1.00にした場合の実施例2(2−1〜2−4)におけるCOの光還元効率を相対化したものである。以下に、図17についてより詳細に説明する。 FIG. 17 is an experimental result showing the photoreduction efficiency of CO 2 in Example 2 with respect to the comparative example. More specifically, the photoreduction efficiency of CO 2 in Example 2 (2-1 to 2-4) when the photoreduction efficiency of CO 2 in the comparative example is set to 1.00 is made relative. Hereinafter, FIG. 17 will be described in more detail.

実施例2は、第2の実施形態に係る光化学反応装置における光化学反応セルの一例である。より具体的には、実施例2における光化学反応セルは、H輸送のみが可能な貫通孔52を有し、その円相当径が比較的小さいものである。ここでは、貫通孔52の円相当径を0.1,0.5,1.0,2.0μm、面積率を30%とした異なる4種(評価セル番号2−1〜2−4)の光化学反応セルを作製し、そのCOの光還元効率を評価した。これら実施例2における光化学反応セルは、以下のように作製された。 Example 2 is an example of a photochemical reaction cell in the photochemical reaction device according to the second embodiment. More specifically, the photochemical reaction cell in Example 2 has a through hole 52 that can only transport H + and has a relatively small equivalent circle diameter. Here, four different types of evaluation holes (evaluation cell numbers 2-1 to 2-4) in which the equivalent circle diameter of the through hole 52 is 0.1, 0.5, 1.0, 2.0 μm and the area ratio is 30%. A photochemical reaction cell was prepared and its photoreduction efficiency of CO 2 was evaluated. These photochemical reaction cells in Example 2 were produced as follows.

まず、pin型のa−Si層、a−SiGe層、およびa−SiGe層からなる多接合型太陽電池17、多接合型太陽電池17の表面上に形成されたITOからなる酸化電極層18、多接合型太陽電池17の裏面上に形成されたZnOからなる還元電極層13、還元電極層13の裏面上に形成されたAgからなる反射層12、および反射層12の裏面上に形成されたSUS基板11を有する構造体を準備する。ここで、多接合型太陽電池17の膜厚は500nm、酸化電極層18の膜厚は100nm、還元電極層13の膜厚は300nm、反射層12の膜厚は200nm、SUS基板11の膜厚は1.5mmとした。   First, a multi-junction solar cell 17 composed of a pin-type a-Si layer, an a-SiGe layer, and an a-SiGe layer, an oxidation electrode layer 18 composed of ITO formed on the surface of the multi-junction solar cell 17, The reduction electrode layer 13 made of ZnO formed on the back surface of the multi-junction solar cell 17, the reflective layer 12 made of Ag formed on the back surface of the reduction electrode layer 13, and the back surface of the reflection layer 12. A structure having the SUS substrate 11 is prepared. Here, the multi-junction solar cell 17 has a thickness of 500 nm, the oxidation electrode layer 18 has a thickness of 100 nm, the reduction electrode layer 13 has a thickness of 300 nm, the reflective layer 12 has a thickness of 200 nm, and the SUS substrate 11 has a thickness. Was 1.5 mm.

次に、酸化電極層18の表面上に、スパッタ法により酸化ニッケルからなる酸化触媒層19が形成される。また、SUS基板11の裏面上に、真空蒸着法によりAgからなる還元触媒層20が形成される。ここで、酸化触媒層19の膜厚は50nm、還元触媒層20の膜厚は100nmとした。   Next, an oxidation catalyst layer 19 made of nickel oxide is formed on the surface of the oxidation electrode layer 18 by sputtering. Further, a reduction catalyst layer 20 made of Ag is formed on the back surface of the SUS substrate 11 by vacuum deposition. Here, the film thickness of the oxidation catalyst layer 19 was 50 nm, and the film thickness of the reduction catalyst layer 20 was 100 nm.

このように、基板11、反射層12、還元電極層13、多接合型太陽電池17、酸化電極層18、酸化触媒層19、および還元触媒層20からなる積層体(セル)が形成される。   In this manner, a laminate (cell) including the substrate 11, the reflective layer 12, the reduction electrode layer 13, the multi-junction solar cell 17, the oxidation electrode layer 18, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20 is formed.

次に、セルに貫通孔52および貫通孔62が形成される。貫通孔52および貫通孔62は、以下のように形成される。   Next, the through hole 52 and the through hole 62 are formed in the cell. The through hole 52 and the through hole 62 are formed as follows.

まず、酸化触媒層19上(表面上)に、スピンコートによりi線露光用ポジ型レジストまたはポジ型電子線レジストが塗布され、ベークされる。その後、レジストに露光装置または電子線描画装置で光または電子線を照射した後、プリベークおよび現像処理により三角格子状の開口パターンのレジストパターンが形成される。   First, an i-line exposure positive resist or a positive electron beam resist is applied on the oxidation catalyst layer 19 (on the surface) by spin coating and baked. Thereafter, the resist is irradiated with light or an electron beam by an exposure apparatus or an electron beam drawing apparatus, and then a resist pattern having a triangular lattice opening pattern is formed by pre-baking and development processing.

次に、塩素-アルゴン混合ガスを用いた誘導結合型プラズマ(ICP)RIEにより、レジストパターンをマスクとして、酸化触媒層19から反射層12に至るまでエッチングが行われる。すなわち、表面側から酸化触媒層19、酸化電極層18、多接合型太陽電池17、還元電極層13、および反射層12が順にエッチングされ、貫通孔52が形成される。このとき、基板11および還元触媒層20は、エッチングされない。その後、アッシング処理によりレジストが除去される。   Next, etching is performed from the oxidation catalyst layer 19 to the reflective layer 12 by inductively coupled plasma (ICP) RIE using a chlorine-argon mixed gas, using the resist pattern as a mask. That is, the oxidation catalyst layer 19, the oxidation electrode layer 18, the multijunction solar cell 17, the reduction electrode layer 13, and the reflection layer 12 are sequentially etched from the surface side, and the through hole 52 is formed. At this time, the substrate 11 and the reduction catalyst layer 20 are not etched. Thereafter, the resist is removed by an ashing process.

次に、加工した酸化触媒層19、酸化電極層18、多接合型太陽電池17、還元電極層13、および反射層12の露出面に、レジストを形成して保護する。その後、還元触媒層20上(裏面上)に、i線露光用ポジ型レジストレジストが塗布され、ベークされる。その後、レジストに露光装置または電子線描画装置で光または電子線を照射した後、プリベークおよび現像処理によりレジストパターンが形成される。   Next, a resist is formed and protected on the exposed surfaces of the processed oxidation catalyst layer 19, oxidation electrode layer 18, multi-junction solar cell 17, reduction electrode layer 13, and reflection layer 12. Thereafter, a positive resist for i-line exposure is applied on the reduction catalyst layer 20 (on the back surface) and baked. Thereafter, the resist is irradiated with light or an electron beam by an exposure apparatus or an electron beam drawing apparatus, and then a resist pattern is formed by pre-baking and development processing.

次に、酸を用いたウェットエッチングにより、レジストパターンをマスクとして、還元触媒層20から基板11に至るまでエッチングが行われる。すなわち、裏面側から還元触媒層20および基板11が順にエッチングされる。   Next, etching is performed from the reduction catalyst layer 20 to the substrate 11 by wet etching using an acid, using the resist pattern as a mask. That is, the reduction catalyst layer 20 and the substrate 11 are etched in order from the back side.

このとき、基板11および還元触媒層20は、ウェットエッチングにより、等方的にエッチングされる。このため、基板11および還元触媒層20には、貫通孔52よりも円相当径が大きい貫通孔62が形成される。貫通孔62の円相当径は15μm、面積率は10%である。また、複数の貫通孔62の配置構成は、三角格子状となる。   At this time, the substrate 11 and the reduction catalyst layer 20 are isotropically etched by wet etching. Therefore, a through hole 62 having a larger equivalent circle diameter than the through hole 52 is formed in the substrate 11 and the reduction catalyst layer 20. The equivalent circle diameter of the through hole 62 is 15 μm, and the area ratio is 10%. The arrangement configuration of the plurality of through holes 62 is a triangular lattice shape.

その後、有機溶媒中で超音波洗浄することにより、酸化触媒層19、酸化電極層18、多接合型太陽電池17、還元電極層13、および反射層12上のレジストおよび還元触媒層20上のレジストが除去される。   Thereafter, the resist on the oxidation catalyst layer 19, the oxidation electrode layer 18, the multijunction solar cell 17, the reduction electrode layer 13, and the reflection layer 12 and the resist on the reduction catalyst layer 20 are subjected to ultrasonic cleaning in an organic solvent. Is removed.

次に、貫通孔52が形成されたセルを正方形状に切断して、エッジ部分をエポキシ樹脂で封止し、露出部分の面積が1cmになるようにする。その後、光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡で貫通孔52が100個程度収まる画角で撮影した後、画像処理ソフトによって各セルの貫通孔52の平均円相当径および面積率を計測した。このようにして、実施例2における光化学反応セル(評価セル番号2−1〜2−4)が作製された。 Next, the cell in which the through hole 52 is formed is cut into a square shape, and the edge portion is sealed with an epoxy resin so that the area of the exposed portion becomes 1 cm 2 . Then, after photographing with an optical microscope or a scanning electron microscope at an angle of view where about 100 through holes 52 were accommodated, the average equivalent circle diameter and area ratio of the through holes 52 of each cell were measured by image processing software. Thus, the photochemical reaction cells (evaluation cell numbers 2-1 to 2-4) in Example 2 were produced.

これに対し、比較例は、貫通孔52(および貫通孔62)を有さない光化学反応セルであり、貫通孔52以外については実施例2と同様の構造を有するものである。   On the other hand, the comparative example is a photochemical reaction cell that does not have the through hole 52 (and the through hole 62), and has the same structure as that of the second embodiment except for the through hole 52.

また、COの光還元効率は、以下のように測定された。まず、COガスを10分間バブリングした0.1M(mol/l)のKHCO溶液を含む閉鎖系の水槽(電解槽31)中にセルを浸漬させる。次に、ソーラーシミュレーター(AM1.5、1000W/m)により酸化触媒層19面側から光を10分間照射する。その後、水槽中のガスの定量分析をガスクロマトグラム質量分析(GCMS)により行った。分析の結果、検出されたガス種は、O、H、およびCOであった。発生したCOは、COの還元によって発生したものである。比較例におけるセルで得られたCOの発生量を1.00として、実施例2における各種セルで得られたCOの量を相対値で算出したものをCOの光還元効率とした。 Moreover, the photoreduction efficiency of CO 2 was measured as follows. First, the cell is immersed in a closed water tank (electrolysis tank 31) containing a 0.1M (mol / l) KHCO 3 solution in which CO 2 gas is bubbled for 10 minutes. Next, light is irradiated for 10 minutes from the oxidation catalyst layer 19 surface side by a solar simulator (AM1.5, 1000 W / m 2 ). Then, the quantitative analysis of the gas in a water tank was performed by gas chromatogram mass spectrometry (GCMS). As a result of the analysis, the detected gas species were O 2 , H 2 , and CO. The generated CO is generated by reduction of CO 2 . The amount of CO generated in the cell in the comparative example was set to 1.00, and the amount of CO obtained in the various cells in Example 2 was calculated as a relative value to be the CO 2 photoreduction efficiency.

図17に示すように、実施例2において、円相当径が0.1,0.5,1.0μmである場合、比較例と比較して高いCOの光還元効率が得られる。これは、H輸送改善による効率向上が反映されるとともに、円相当径を比較的小さくすることで入射光が回折および散乱し、多接合型太陽電池17による光の吸収量が増加したためである。特に、評価セル番号2−2(円相当径W2が0.5μm)では、より高いCOの光還元効率が得られる。しかしながら、円相当径が2.0μmである場合、回折効果の影響が小さくなり、得られる効果は比較例よりも低いものとなった。 As shown in FIG. 17, in Example 2, when the equivalent circle diameter is 0.1, 0.5, and 1.0 μm, higher photoreduction efficiency of CO 2 can be obtained as compared with the comparative example. This is because the increase in efficiency due to the improvement in H + transport is reflected, and incident light is diffracted and scattered by making the equivalent circle diameter relatively small, and the amount of light absorbed by the multijunction solar cell 17 is increased. . Particularly, in the evaluation cell number 2-2 (equivalent circle diameter W2 is 0.5 μm), higher CO 2 photoreduction efficiency can be obtained. However, when the equivalent circle diameter is 2.0 μm, the influence of the diffraction effect is reduced, and the obtained effect is lower than that of the comparative example.

このように、第2の実施形態における実施例2において、貫通孔52の円相当径を1μm以下に調整することで、比較例と比較して高いCOの光還元効率を得ることができる。 Thus, in Example 2 in the second embodiment, by adjusting the equivalent circle diameter of the through hole 52 to 1 μm or less, it is possible to obtain a higher CO 2 photoreduction efficiency compared to the comparative example.

図18は、比較例に対する実施例3におけるCOの光還元効率を示す実験結果である。より具体的には、比較例におけるCOの光還元効率を1.00にした場合の実施例3(3−1〜3−2)におけるCOの光還元効率を相対化したものである。また、図19は、実施例3における光化学反応装置の構造を示す平面図である。また、図20は、実施例3における光化学反応装置の構造を示す断面図である。以下に、図18乃至図20についてより詳細に説明する。 FIG. 18 is an experimental result showing the photoreduction efficiency of CO 2 in Example 3 with respect to the comparative example. More specifically, the photoreduction efficiency of CO 2 in Example 3 (3-1 to 3-2) when the photoreduction efficiency of CO 2 in the comparative example is set to 1.00 is made relative. FIG. 19 is a plan view showing the structure of the photochemical reaction device in Example 3. FIG. 20 is a cross-sectional view showing the structure of the photochemical reaction device in Example 3. Hereinafter, FIGS. 18 to 20 will be described in more detail.

実施例3は、第2の実施形態に係る光化学反応装置における光化学反応セルの一例である。より具体的には、実施例2における光化学反応セルは、H輸送のみが可能な貫通孔52を有し、その円相当径が比較的小さいものである。 Example 3 is an example of a photochemical reaction cell in the photochemical reaction device according to the second embodiment. More specifically, the photochemical reaction cell in Example 2 has a through hole 52 that can only transport H + and has a relatively small equivalent circle diameter.

また、図19および図20に示すように、実施例3における光化学反応装置において、複数の貫通孔52の円相当径および配置構成はランダムである。さらに、実施例3では、還元触媒層20に接する電解液と酸化触媒層19に接する電解液が異なり、還元触媒層20側から光照射して光化学反応を発現させる。   Further, as shown in FIGS. 19 and 20, in the photochemical reaction device in Example 3, the equivalent circle diameters and the arrangement configuration of the plurality of through holes 52 are random. Furthermore, in Example 3, the electrolyte solution in contact with the reduction catalyst layer 20 and the electrolyte solution in contact with the oxidation catalyst layer 19 are different, and light is irradiated from the reduction catalyst layer 20 side to develop a photochemical reaction.

ここでは、貫通孔52の内部にイオン交換膜43を有するもの(評価セル番号3−1)と有さないもの(評価セル番号3−2)の2種の光化学反応セルを作製し、そのCOの光還元効率を評価した。また、そのとき検出されるガス生成物についても調べた。これら実施例3における光化学反応セルは、以下のように作製された。 Here, two types of photochemical reaction cells, one having the ion exchange membrane 43 inside the through-hole 52 (evaluation cell number 3-1) and one not having (evaluation cell number 3-2), are prepared, and the CO The photoreduction efficiency of 2 was evaluated. The gas product detected at that time was also examined. These photochemical reaction cells in Example 3 were produced as follows.

まず、pn接合を有するInGaP層(第3太陽電池16)、InGaAs層(第2太陽電池15)、およびGe層(第1太陽電池14)からなる多接合型太陽電池17、多接合型太陽電池17の表面(光入射面)上に形成されたITOからなる還元電極層13、多接合型太陽電池17の裏面上に形成されたAuからなる酸化電極層18を有する構造体を準備する。ここで、多接合型太陽電池17のp型面は酸化電極層18側に、n型面は還元電極層13側に配置される。   First, a multijunction solar cell 17 composed of an InGaP layer (third solar cell 16) having an pn junction, an InGaAs layer (second solar cell 15), and a Ge layer (first solar cell 14), a multijunction solar cell A structure having a reduction electrode layer 13 made of ITO formed on the surface (light incident surface) 17 and an oxidation electrode layer 18 made of Au formed on the back surface of the multi-junction solar cell 17 is prepared. Here, the p-type surface of the multi-junction solar cell 17 is disposed on the oxidation electrode layer 18 side, and the n-type surface is disposed on the reduction electrode layer 13 side.

また、多接合太陽電池17の詳細な構成は、n−InGaAs(コンタクト層)/n−AlInP(窓層)/n−InGaP/p−InGaP/p−AlInP(Back Surface Field(BSF)層)/p−AlGaAs(トンネル層)/p−InGaP(トンネル層)/n−InGaP(窓層)/n−InGaAs/p−InGaP(BSF層)/p−GaAs(トンネル層)/n−GaAs(トンネル層)/n−InGaAs/p−Ge(Substrate)である。   The detailed structure of the multi-junction solar cell 17 is n-InGaAs (contact layer) / n-AlInP (window layer) / n-InGaP / p-InGaP / p-AlInP (Back Surface Field (BSF) layer) / p-AlGaAs (tunnel layer) / p-InGaP (tunnel layer) / n-InGaP (window layer) / n-InGaAs / p-InGaP (BSF layer) / p-GaAs (tunnel layer) / n-GaAs (tunnel layer) ) / N-InGaAs / p-Ge (Substrate).

次に、酸化電極層18の裏面上に、スパッタ法により酸化ニッケルからなる酸化触媒層19が形成される。また、還元電極層13の表面上に、真空蒸着法によりAgからなる還元触媒層20が形成される。ここで、酸化触媒層19の膜厚は50nm、還元触媒層20の膜厚は15nmとした。   Next, an oxidation catalyst layer 19 made of nickel oxide is formed on the back surface of the oxidation electrode layer 18 by sputtering. Further, a reduction catalyst layer 20 made of Ag is formed on the surface of the reduction electrode layer 13 by vacuum vapor deposition. Here, the film thickness of the oxidation catalyst layer 19 was 50 nm, and the film thickness of the reduction catalyst layer 20 was 15 nm.

このとき、ソーラーシミュレーター(AM1.5、1000W/m)を用いて還元触媒層20側から光照射を行った場合のセルの開放電圧を測定した結果、開放電圧は2.4Vであった。 At this time, as a result of measuring the open voltage of the cell when light irradiation was performed from the reduction catalyst layer 20 side using a solar simulator (AM1.5, 1000 W / m 2 ), the open voltage was 2.4V.

このように、還元電極層13、多接合型太陽電池17、酸化電極層18、酸化触媒層19、および還元触媒層20からなる積層体(セル)が形成される。   Thus, a laminate (cell) composed of the reduction electrode layer 13, the multi-junction solar cell 17, the oxidation electrode layer 18, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20 is formed.

次に、セルに貫通孔52および貫通孔62が形成される。貫通孔52および貫通孔62は、以下のように形成される。   Next, the through hole 52 and the through hole 62 are formed in the cell. The through hole 52 and the through hole 62 are formed as follows.

まず、還元触媒層20上(表面上)に、スピンコートによりi線露光用ポジ型熱硬化性レジストが塗布され、ホットプレート上でベークされる。次に、鋳型である石英スタンパーを準備する。スタンパーのパターンは、ブロックコポリマーの自己組織化パターンを転写して作製される。スタンパーに形成されたパターンは、平均円相当径120nm(標準偏差31nm)であり、径にバラツキのあるピラーが不規則に並んだ配置構成を有したものである。このとき、離型用処理としてスタンパー表面をパーフルオロポリエーテル等のフッ素系離型剤でコーティングし、スタンパーの表面エネルギーを低くすることで離型性を向上させる。   First, a positive thermosetting resist for i-line exposure is applied on the reduction catalyst layer 20 (on the surface) by spin coating and baked on a hot plate. Next, a quartz stamper as a mold is prepared. The stamper pattern is produced by transferring the self-assembled pattern of the block copolymer. The pattern formed on the stamper has an average equivalent circle diameter of 120 nm (standard deviation of 31 nm), and has an arrangement configuration in which pillars with irregular diameters are irregularly arranged. At this time, as a release treatment, the surface of the stamper is coated with a fluorine-based release agent such as perfluoropolyether, and the release energy is improved by lowering the surface energy of the stamper.

次に、レジストにスタンパーを、ヒータープレートプレスを用いて、温度128℃、圧力60kNにて押し付ける。そして、1時間かけて室温に戻した後、垂直に離型することでレジストに鋳型の反転パターンが形成される。これにより、開口を有するレジストパターンが作成される。このレジストパターンをエッチングマスクとして、Agからなる還元触媒層20はイオンミリングにより、ITOからなる還元側電極層13はシュウ酸を用いたウェットエッチングによりエッチングされる。さらに、多接合太陽電池17のInGaP層16、InGaAs層15は塩素ガスを用いたICP−RIEによりエッチングされる。これにより、還元触媒層20、還元側電極層13、InGaP層16、およびInGaAs層15に貫通孔52が形成される。このとき、Ge層14、酸化電極層18、および酸化触媒層19は、エッチングされない。その後、アッシング処理によりレジストが除去される。   Next, a stamper is pressed against the resist using a heater plate press at a temperature of 128 ° C. and a pressure of 60 kN. And after returning to room temperature over 1 hour, the mold reversal pattern is formed in the resist by releasing vertically. Thereby, a resist pattern having an opening is created. Using this resist pattern as an etching mask, the reduction catalyst layer 20 made of Ag is etched by ion milling, and the reduction-side electrode layer 13 made of ITO is etched by wet etching using oxalic acid. Further, the InGaP layer 16 and the InGaAs layer 15 of the multi-junction solar cell 17 are etched by ICP-RIE using chlorine gas. As a result, through holes 52 are formed in the reduction catalyst layer 20, the reduction-side electrode layer 13, the InGaP layer 16, and the InGaAs layer 15. At this time, the Ge layer 14, the oxidation electrode layer 18, and the oxidation catalyst layer 19 are not etched. Thereafter, the resist is removed by an ashing process.

次に、加工した還元触媒層20、還元電極層13、InGaP層16、およびInGaAs層15の露出面に、レジストを形成して保護する。その後、酸化触媒層19上(裏面上)に、i線露光用ポジ型レジストが塗布され、ベークされる。その後、レジストに露光処理および現像が行われ、開口状のレジストパターンが形成される。   Next, a resist is formed on the exposed surfaces of the processed reduction catalyst layer 20, reduction electrode layer 13, InGaP layer 16, and InGaAs layer 15 to protect them. Thereafter, a positive resist for i-line exposure is applied on the oxidation catalyst layer 19 (on the back surface) and baked. Thereafter, the resist is exposed to light and developed to form an open resist pattern.

次に、酸化ニッケルからなる酸化触媒層19およびAuからなる酸化電極層18がイオンミリングによりエッチングされた後、Ge層14が酸を用いたウェットエッチング処理によりエッチングされる。これにより、酸化触媒層19、酸化側電極層18、およびGe層14に貫通孔62が形成される。この際、貫通孔62の円相当径は30μm、面積率は15%である。また、貫通孔62の配置構成は、三角格子状となる。   Next, after the oxidation catalyst layer 19 made of nickel oxide and the oxidation electrode layer 18 made of Au are etched by ion milling, the Ge layer 14 is etched by a wet etching process using an acid. As a result, through holes 62 are formed in the oxidation catalyst layer 19, the oxidation side electrode layer 18, and the Ge layer 14. At this time, the equivalent circle diameter of the through hole 62 is 30 μm, and the area ratio is 15%. Moreover, the arrangement configuration of the through holes 62 is a triangular lattice shape.

その後、有機溶媒中で超音波洗浄することにより、還元触媒層20、還元電極層19、InGaP層16、およびInGaAs層15上のレジスト、および酸化触媒層19上のレジストが除去される。   Thereafter, the resist on the reduction catalyst layer 20, the reduction electrode layer 19, the InGaP layer 16, and the InGaAs layer 15 and the resist on the oxidation catalyst layer 19 are removed by ultrasonic cleaning in an organic solvent.

さらに、評価セル番号3−1では、貫通孔52,62内にイオン交換膜43が充填される。より具体的には、ナフィオン溶液をディッピング、および乾燥することにより、貫通孔52,62内にイオン交換膜43が充填される。   Furthermore, in the evaluation cell number 3-1, the ion exchange membrane 43 is filled in the through holes 52 and 62. More specifically, the ion exchange membrane 43 is filled in the through holes 52 and 62 by dipping and drying the Nafion solution.

次に、貫通孔52が形成されたセルを正方形状に切断して、エッジ部分をエポキシ樹脂で封止し、露出部分の面積が1cmになるようにする。このようにして、評価セル番号3−1における光化学反応セルが作製された。 Next, the cell in which the through hole 52 is formed is cut into a square shape, and the edge portion is sealed with an epoxy resin so that the area of the exposed portion becomes 1 cm 2 . Thus, the photochemical reaction cell in evaluation cell number 3-1 was produced.

なお、評価セル番号3−2における光化学反応セルは、貫通孔52(および貫通孔62)内にイオン交換膜43を有さない光化学反応セルであり、それ以外については評価セル番号3−1と同様の構造を有するものである。   In addition, the photochemical reaction cell in evaluation cell number 3-2 is a photochemical reaction cell which does not have the ion exchange membrane 43 in the through-hole 52 (and through-hole 62), and other than evaluation cell number 3-1 It has the same structure.

これに対し、比較例は、貫通孔52(および貫通孔62)およびイオン交換膜43を有さない光化学反応セルであり、貫通孔52以外については実施例3(評価セル番号3−1,3−2)と同様の構造を有するものである。   On the other hand, the comparative example is a photochemical reaction cell that does not have the through hole 52 (and the through hole 62) and the ion exchange membrane 43. Except for the through hole 52, Example 3 (Evaluation cell numbers 3-1 and 3). -2).

図21は、実施例3および比較例における光化学反応装置を測定する電解槽31を示す断面図である。   FIG. 21 is a cross-sectional view showing an electrolytic cell 31 for measuring the photochemical reaction device in Example 3 and Comparative Example.

図21に示すように、実施例3および比較例におけるセルは、閉鎖系のH型の電解層31の中央部にセットされる。言い換えると、電解槽31は、酸化反応用電解槽45および還元反応用電解槽46を有し、これらの接続部の幅が小さく形成される。この幅の小さい接続部に、セルが配置される。この際、酸化反応用電解槽45にはセルの酸化触媒層19、還元反応用電解槽46にはセルの還元触媒層20が配置されるようにセットした。また、酸化反応用電解槽45内の電解液としては、0.5mol/Lの硫酸ナトリウム水溶液を用いた。一方、還元反応用電解槽46内の電解液としては、COガスを40℃で、2時間バブリングした2−アミノエタノール(モノエタノールアミン)水溶液(40wt%)を用いた。 As shown in FIG. 21, the cells in Example 3 and the comparative example are set at the center of a closed H-type electrolytic layer 31. In other words, the electrolytic cell 31 has an oxidation reaction electrolytic cell 45 and a reduction reaction electrolytic cell 46, and the widths of these connecting portions are formed small. A cell is disposed in the connection portion having the small width. At this time, the cell oxidation catalyst layer 19 was placed in the oxidation reaction electrolytic bath 45 and the cell reduction catalyst layer 20 was placed in the reduction reaction electrolytic bath 46. As the electrolytic solution in the oxidation reaction electrolytic tank 45, a 0.5 mol / L sodium sulfate aqueous solution was used. On the other hand, as the electrolytic solution in the electrolytic cell 46 for reduction reaction, an aqueous solution of 2-aminoethanol (monoethanolamine) (40 wt%) obtained by bubbling CO 2 gas at 40 ° C. for 2 hours was used.

また、COの光還元効率およびガス生成物は、以下のように測定された。まず、ソーラーシミュレーター(AM1.5、1000W/m)により還元触媒層20面側から光を10分間照射する。その後、各水槽中のガスの定量分析をガスクロマトグラム質量分析(GCMS)により行った。比較例におけるセルで得られたCO還元物質の発生量を1.00として、実施例3における各種セルで得られたCOの量を相対値で算出したものをCOの光還元効率とした。 In addition, the photoreduction efficiency and gas product of CO 2 were measured as follows. First, light is irradiated for 10 minutes from the reduction catalyst layer 20 surface side by a solar simulator (AM1.5, 1000 W / m 2 ). Then, the quantitative analysis of the gas in each water tank was performed by gas chromatogram mass spectrometry (GCMS). The amount of CO 2 reducing substance generated in the cell in the comparative example was set to 1.00, and the amount of CO obtained in the various cells in Example 3 was calculated as a relative value as the CO 2 photoreduction efficiency. .

図18に示すように、評価セル番号3−1では、評価セル番号3−2と異なり、貫通孔52(および貫通孔62)内部に充填したイオン交換膜43の効果により、Hのみが選択的に移動できる。このため、各槽で生成された生成物は分離されて検出された。より具体的には、還元反応用電解槽46ではHおよびCOが検出され、酸化反応用電解槽45ではOが検出された。 As shown in FIG. 18, in the evaluation cell number 3-1, unlike the evaluation cell number 3-2, only H + is selected by the effect of the ion exchange membrane 43 filled in the through hole 52 (and the through hole 62). Can be moved. For this reason, the product produced | generated by each tank was isolate | separated and detected. More specifically, H 2 and CO 2 were detected in the reduction reaction electrolytic cell 46, and O 2 was detected in the oxidation reaction electrolytic cell 45.

また、実施例3のように複数の貫通孔52(および貫通孔62)のサイズ(円相当径)および配置構成がランダムな場合であっても、比較例と比べて十分に高いCOの光還元効率を得ることが可能である。さらに、実施例3では、実施例2と比べて高いCOの光還元効率を得ることができる。これは、酸化反応用電解槽45の電解液と還元反応用電解槽46の電解液とがセルで仕切られた場合、Hの移動経路(貫通孔52および貫通孔62)を有さない比較例ではCOの光還元反応が極端に低くなるためである。このことは、Hの移動経路を有さない光化学反応セルの場合、セルサイズが大きくなるにつれて、Hの移動が困難になり、得られる光反応効率が低くなることを意味している。このように、Hの移動経路を設けることにより、セルの大型化の際にも高い光反応効率を得ることができる。
[第2の実施形態の変形例]
次に、第2の実施形態に係る光化学反応装置における変形例について説明する。
Further, even when the size (equivalent circle diameter) and the arrangement configuration of the plurality of through holes 52 (and the through holes 62) are random as in the third embodiment, the light of CO 2 is sufficiently high compared to the comparative example. Reduction efficiency can be obtained. Furthermore, in Example 3, the photoreduction efficiency of CO 2 higher than that in Example 2 can be obtained. This is because when the electrolytic solution in the oxidation reaction electrolytic tank 45 and the electrolytic solution in the reduction reaction electrolytic tank 46 are partitioned by cells, the comparison does not have an H + movement path (through hole 52 and through hole 62). This is because the photoreduction reaction of CO 2 is extremely low in the example. This means that, in the case of a photochemical reaction cell that does not have an H + transfer path, as the cell size increases, the transfer of H + becomes difficult and the photoreaction efficiency obtained decreases. Thus, by providing the movement path of H + , high photoreaction efficiency can be obtained even when the cell is enlarged.
[Modification of Second Embodiment]
Next, a modification of the photochemical reaction device according to the second embodiment will be described.

図22および図23は、第2の実施形態に係る光化学反応装置における変形例1および変形例2の構造を示す断面図である。なお、第2の実施形態に係る光化学反応装置の変形例において、主に上記構造と異なる点について説明する。   22 and 23 are cross-sectional views showing the structures of Modification 1 and Modification 2 in the photochemical reaction device according to the second embodiment. In the modified example of the photochemical reaction device according to the second embodiment, differences from the above structure will be mainly described.

図22に示すように、第2の実施形態に係る光化学反応装置における変形例1において、貫通孔52は、表面側(入射面側)から裏面側に向かってその円相当径w2が大きくなるように形成される。すなわち、貫通孔52は、酸化触媒層19から還元触媒層20に向かってその円相当径w2が大きくなるようなテーパー形状を有する。このため、多接合型太陽電池17の表面側の貫通孔52の円相当径は、裏面側の貫通孔52の円相当径よりも大きくなる。多接合型太陽電池17の裏面側の貫通孔52の円相当径は、表面側の貫通孔52の円相当径の10〜90%程度であることが望ましい。   As shown in FIG. 22, in the first modification of the photochemical reaction device according to the second embodiment, the through hole 52 has an equivalent circle diameter w2 that increases from the front surface side (incident surface side) to the back surface side. Formed. That is, the through hole 52 has a tapered shape such that the equivalent circle diameter w2 increases from the oxidation catalyst layer 19 toward the reduction catalyst layer 20. For this reason, the equivalent circle diameter of the through hole 52 on the front surface side of the multi-junction solar cell 17 is larger than the equivalent circle diameter of the through hole 52 on the back surface side. The equivalent circle diameter of the through hole 52 on the back surface side of the multi-junction solar cell 17 is preferably about 10 to 90% of the equivalent circle diameter of the through hole 52 on the front surface side.

テーパー形状を有する貫通孔52は、ICP−RIEによるエッチング工程の際、エッチングガスを調整することで形成される。より具体的には、エッチングガスとしてアルゴンの比率を高めた塩素−アルゴン混合ガスを用いて、等方的なエッチングをすることで、テーパー形状を有する貫通孔52が形成される。   The through hole 52 having a tapered shape is formed by adjusting an etching gas in the etching process by ICP-RIE. More specifically, the through-hole 52 having a tapered shape is formed by isotropic etching using a chlorine-argon mixed gas in which the ratio of argon is increased as an etching gas.

貫通孔52をテーパー形状にすることで、表面側から裏面側にかけて屈折率の分布に勾配を持たせるGI(Graded Index)効果を付与することができる。これにより、光が入射する際に発生する光反射成分を抑制する反射防止効果を得ることができる。すなわち、より多くの光が多接合型太陽電池17に侵入するため、より多くの光を吸収することができる。実施例2と同様にCOの光還元効率を測定した結果、光反射防止効果により実施例2の各種セルで得られた効率に対して10%から15%程度向上した。 By forming the through hole 52 in a tapered shape, a GI (Graded Index) effect that gives a gradient in the refractive index distribution from the front surface side to the back surface side can be provided. Thereby, the antireflection effect which suppresses the light reflection component which generate | occur | produces when light injects can be acquired. In other words, since more light enters the multi-junction solar cell 17, more light can be absorbed. As a result of measuring the photoreduction efficiency of CO 2 in the same manner as in Example 2, the efficiency obtained by the various cells of Example 2 was improved by about 10% to 15% due to the light reflection preventing effect.

図23に示すように、第2の実施形態に係る光化学反応装置における変形例2において、貫通孔52の内面上に保護層61が形成される。言い換えると、貫通孔52内における基板11、多接合型太陽電池17、酸化触媒層19、および還元触媒層20の側面上に、保護層61が形成される。保護層61は、例えばSiO、TiO、ZrO、Al、またはHfO等の誘電体(絶縁体)薄膜で構成される、また、保護層61の膜厚は、例えば30nm程度である。 As shown in FIG. 23, in the second modification of the photochemical reaction device according to the second embodiment, a protective layer 61 is formed on the inner surface of the through hole 52. In other words, the protective layer 61 is formed on the side surfaces of the substrate 11, the multijunction solar cell 17, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20 in the through hole 52. The protective layer 61 is composed of a dielectric (insulator) thin film such as SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , or HfO 2 , and the film thickness of the protective layer 61 is, for example, about 30 nm. It is.

保護層61は、ICP−RIEによるエッチング工程後、酸化触媒層19上のレジストを除去する前に、ALD(Atomic Layer Deposition)法またはCVD(chemical vapor deposition)法により、貫通孔52の内面上、およびレジスト上に形成される。その後、レジスト上の保護層61およびレジストを除去することで、貫通孔52の内面上のみに保護層61が形成される。   The protective layer 61 is formed on the inner surface of the through hole 52 by an ALD (Atomic Layer Deposition) method or a CVD (chemical vapor deposition) method after the etching process by ICP-RIE and before removing the resist on the oxidation catalyst layer 19. And formed on the resist. Thereafter, the protective layer 61 and the resist on the resist are removed, so that the protective layer 61 is formed only on the inner surface of the through hole 52.

なお、保護層61の形成は、ALD法およびCVD法に限らない。金属イオンを含む溶液にセルを浸漬させた後、熱処理を行う浸漬法も有効である。   The formation of the protective layer 61 is not limited to the ALD method and the CVD method. An immersion method in which the cell is immersed in a solution containing metal ions and then heat treatment is also effective.

貫通孔52の側壁として保護層61を形成することで、多接合型太陽電池17からの電子および正孔のリークを抑制し、かつ、溶液による多接合型太陽電池17の腐食を防ぐことができる。実施例2と同様にCOの光還元効率を測定した結果、リーク防止により実施例2の各種セルで得られた効率に対して5%から10%程度向上した。
<2−3.第3の実施形態>
図24乃至図28を用いて、第3の実施形態に係る光化学反応装置について説明する。第3の実施形態は、光化学反応セルを管状(パイプ状)の配管に適用する例である。これにより、COを分解しつつ、酸化触媒層19および還元触媒層20で生成された化合物を容易に運搬することができ、化学エネルギーとして利用することができる。以下に、第3の実施形態について詳説する。なお、第3の実施形態において、上記第1の光化学反応装置と同様の点については説明を省略し、主に異なる点について説明する。
[第3の実施形態の構造]
まず、第3の実施形態に係る光化学反応装置の構造について説明する。
By forming the protective layer 61 as the side wall of the through hole 52, leakage of electrons and holes from the multijunction solar cell 17 can be suppressed, and corrosion of the multijunction solar cell 17 due to the solution can be prevented. . As a result of measuring the photoreduction efficiency of CO 2 in the same manner as in Example 2, the efficiency obtained by various cells of Example 2 was improved by about 5% to 10% due to leakage prevention.
<2-3. Third Embodiment>
A photochemical reaction device according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. The third embodiment is an example in which the photochemical reaction cell is applied to tubular (pipe-shaped) piping. Thus, while decomposing the CO 2, a compound produced by the oxidation catalyst layer 19 and the reduction catalyst layer 20 can be easily transported, it can be used as chemical energy. Hereinafter, the third embodiment will be described in detail. Note that in the third embodiment, description of the same points as in the first photochemical reaction device will be omitted, and different points will be mainly described.
[Structure of Third Embodiment]
First, the structure of the photochemical reaction device according to the third embodiment will be described.

図24は、第3の実施形態に係る光化学反応装置の構造を示す斜視図である。図25は、第3の実施形態に係る光化学反応装置の構造を示す断面図である。なお、図24において、イオン移動経路は省略している。   FIG. 24 is a perspective view showing the structure of the photochemical reaction device according to the third embodiment. FIG. 25 is a cross-sectional view showing the structure of the photochemical reaction device according to the third embodiment. In FIG. 24, the ion movement path is omitted.

図24および図25に示すように、第3の実施形態に係る光化学反応装置では、電解槽31として配管101が用いられる。この第3の実施形態に係る光化学反応装置は、光化学反応セルと、内部に光化学反応セルを含み(内包し)、光透過性を有する管状の配管101と、イオン移動経路として基板11、多接合型太陽電池17、酸化触媒層19、および還元触媒層20に形成された開口部51とを備える。ここで、「配管」とは、流体を導くための管やパイプのシステムを意味している。   As shown in FIGS. 24 and 25, in the photochemical reaction device according to the third embodiment, a pipe 101 is used as the electrolytic cell 31. The photochemical reaction device according to the third embodiment includes a photochemical reaction cell, a photochemical reaction cell inside (enclosed), a tubular pipe 101 having optical transparency, a substrate 11 as an ion movement path, and a multi-junction. Type solar cell 17, oxidation catalyst layer 19, and opening 51 formed in reduction catalyst layer 20. Here, “piping” means a pipe or pipe system for guiding a fluid.

光化学反応セルは、光照射面側(酸化触媒層19側)を外側にした円筒状(管状)に形成される。すなわち、光化学反応セルは、酸化触媒層19、多接合型太陽電池17、基板11、および還元触媒層20が外側から順に形成された管状構造を有する。この管状構造によって、配管101内を流通方向に沿って2つに分離する。管状の光化学反応セルと管状の配管101とは、中心軸が共通でなくてもよい。言い換えると、これらの断面形状は、同心円状でなくてもよい。これにより、配管101は、光化学反応セルの酸化触媒層19が配置される外側の酸化反応用電解槽102と、光化学反応セルの還元触媒層20が配置される内側の還元反応用電解槽103とを備える。これら酸化反応用電解槽102と還元反応用電解槽103とでは、別々の電解液を供給することが可能である。なお、セル構造を逆転させた構造(還元触媒層20、多接合型太陽電池17、基板11、および酸化触媒層19が外側から順に形成された構造)でもよく、その場合、酸化反応用電解槽102と還元反応用電解槽103とが逆転する。   The photochemical reaction cell is formed in a cylindrical shape (tubular shape) with the light irradiation surface side (oxidation catalyst layer 19 side) as the outside. That is, the photochemical reaction cell has a tubular structure in which the oxidation catalyst layer 19, the multi-junction solar cell 17, the substrate 11, and the reduction catalyst layer 20 are formed in order from the outside. By this tubular structure, the inside of the pipe 101 is separated into two along the flow direction. The tubular photochemical reaction cell and the tubular pipe 101 may not have a common central axis. In other words, these cross-sectional shapes may not be concentric. Accordingly, the pipe 101 includes an outer oxidation reaction electrolytic cell 102 in which the photocatalytic reaction cell oxidation catalyst layer 19 is disposed, and an inner reduction reaction electrolytic cell 103 in which the photochemical reaction cell reduction catalyst layer 20 is disposed. Is provided. In the oxidation reaction electrolytic cell 102 and the reduction reaction electrolytic cell 103, it is possible to supply separate electrolytic solutions. In addition, a structure in which the cell structure is reversed (a structure in which the reduction catalyst layer 20, the multijunction solar cell 17, the substrate 11, and the oxidation catalyst layer 19 are sequentially formed from the outside) may be used. 102 and the electrolytic cell 103 for reduction reaction are reversed.

酸化反応用電解槽102には、電解液として例えばHOを含む液体が満たされている。酸化反応用電解槽102では、酸化触媒層19によってHOが酸化されてOとHが生成される。 The electrolytic reaction electrolytic cell 102 is filled with, for example, a liquid containing H 2 O as an electrolytic solution. In the oxidation reaction electrolytic cell 102, H 2 O is oxidized by the oxidation catalyst layer 19 to generate O 2 and H + .

還元反応用電解槽103には、電解液として例えばCOを含む液体が満たされている。還元反応用電解槽103では、還元触媒層20によってCOが還元されて炭素化合物が生成される。 The electrolytic cell 103 for reduction reaction is filled with a liquid containing, for example, CO 2 as an electrolytic solution. In the reduction reaction electrolytic cell 103, CO 2 is reduced by the reduction catalyst layer 20 to generate a carbon compound.

開口部51は、例えば基板11、多接合型太陽電池17、酸化触媒層19、および還元触媒層20を酸化反応用電解槽102側から還元反応用電解槽103側まで貫通するように設けられている。これにより、開口部51は、酸化反応用電解槽102と還元反応用電解槽103とを接続している。   The opening 51 is provided so as to penetrate, for example, the substrate 11, the multi-junction solar cell 17, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20 from the oxidation reaction electrolytic cell 102 side to the reduction reaction electrolytic cell 103 side. Yes. As a result, the opening 51 connects the oxidation reaction electrolytic cell 102 and the reduction reaction electrolytic cell 103.

この開口部51内の一部にはイオン交換膜43が充填され、イオン交換膜43は特定のイオンのみを通過させる。これにより、酸化反応用電解槽102と還元反応用電解槽103との間で電解液を分離しつつ、イオン交換膜43が設けられた開口部51を介して特定のイオンのみを移動させることができる。ここで、イオン交換膜43は、プロトン交換膜であり、酸化反応用電解槽102で生成されたHを還元反応用電解槽103側に移動させることができる。 A part of the opening 51 is filled with an ion exchange membrane 43, and the ion exchange membrane 43 allows only specific ions to pass therethrough. Thereby, it is possible to move only specific ions through the opening 51 provided with the ion exchange membrane 43 while separating the electrolytic solution between the oxidation reaction electrolytic cell 102 and the reduction reaction electrolytic cell 103. it can. Here, the ion exchange membrane 43 is a proton exchange membrane, and H + generated in the oxidation reaction electrolytic cell 102 can be moved to the reduction reaction electrolytic cell 103 side.

また、第3の実施形態に係る光化学反応装置は、配管101で構成される。このため、酸化反応用電解槽102で生成されたOおよび還元反応用電解槽103で生成されたCO等を配管101の流通方向に沿って流すことで容易に運搬することができる。これにより、各施設において、COの分解による生成物を化学エネルギーとして利用することができる。
[第3の実施形態の変形例]
次に、第3の実施形態に係る光化学反応装置における変形例について説明する。
Further, the photochemical reaction device according to the third embodiment is constituted by a pipe 101. Therefore, O 2 generated in the oxidation reaction electrolytic cell 102 and CO generated in the reduction reaction electrolytic cell 103 can be easily transported by flowing along the flow direction of the pipe 101. Thus, at each facility, it is possible to use the product by decomposition of CO 2 as chemical energy.
[Modification of Third Embodiment]
Next, a modification of the photochemical reaction device according to the third embodiment will be described.

図26は、第3の実施形態に係る光化学反応装置の構造の変形例を示す斜視図である。図27は、第3の実施形態に係る光化学反応装置の構造の変形例を示す断面図である。なお、図26において、イオン移動経路は省略している。   FIG. 26 is a perspective view showing a modification of the structure of the photochemical reaction device according to the third embodiment. FIG. 27 is a cross-sectional view showing a modification of the structure of the photochemical reaction device according to the third embodiment. In FIG. 26, the ion movement path is omitted.

図26および図27に示すように、第3の実施形態に係る光化学反応装置の変形例では、電解槽31として配管101が用いられる。この第3の実施形態に係る光化学反応装置は、配管101内に設けられた光化学反応セルは、平板状に形成される。この平板状構造によって、配管101を流通方向に沿って2つに分離する。すなわち、配管101は、光化学反応セルの酸化触媒層19が配置される例えば上部側の酸化反応用電解槽102と、光化学反応セルの還元触媒層20が配置される例えば下部側の還元反応用電解槽103とを備える。これら酸化反応用電解槽102と還元反応用電解槽103とでは、別々の電解液を供給することが可能である。   As shown in FIGS. 26 and 27, in the modification of the photochemical reaction device according to the third embodiment, a pipe 101 is used as the electrolytic cell 31. In the photochemical reaction device according to the third embodiment, the photochemical reaction cell provided in the pipe 101 is formed in a flat plate shape. With this flat plate-like structure, the pipe 101 is separated into two along the flow direction. That is, the piping 101 is, for example, an upper-side oxidation reaction electrolytic cell 102 in which the photochemical reaction cell oxidation catalyst layer 19 is arranged, and a lower-side electrolysis reaction electrolysis cell in which the photochemical reaction cell reduction catalyst layer 20 is arranged. A tank 103. In the oxidation reaction electrolytic cell 102 and the reduction reaction electrolytic cell 103, it is possible to supply separate electrolytic solutions.

酸化反応用電解槽102には、電解液として例えばHOを含む液体が満たされている。酸化反応用電解槽102では、酸化触媒層19によってHOが酸化されてOとHが生成される。 The electrolytic reaction electrolytic cell 102 is filled with, for example, a liquid containing H 2 O as an electrolytic solution. In the oxidation reaction electrolytic cell 102, H 2 O is oxidized by the oxidation catalyst layer 19 to generate O 2 and H + .

還元反応用電解槽103には、電解液として例えばCOを含む液体が満たされている。還元反応用電解槽103では、還元触媒層20によってCOが還元されて炭素化合物が生成される。 The electrolytic cell 103 for reduction reaction is filled with a liquid containing, for example, CO 2 as an electrolytic solution. In the reduction reaction electrolytic cell 103, CO 2 is reduced by the reduction catalyst layer 20 to generate a carbon compound.

開口部51は、例えば基板11、多接合型太陽電池17、酸化触媒層19、および還元触媒層20を酸化反応用電解槽102側から還元反応用電解槽103側まで貫通するように設けられている。これにより、開口部51は、酸化反応用電解槽102と還元反応用電解槽103とを接続している。   The opening 51 is provided so as to penetrate, for example, the substrate 11, the multi-junction solar cell 17, the oxidation catalyst layer 19, and the reduction catalyst layer 20 from the oxidation reaction electrolytic cell 102 side to the reduction reaction electrolytic cell 103 side. Yes. As a result, the opening 51 connects the oxidation reaction electrolytic cell 102 and the reduction reaction electrolytic cell 103.

この開口部51内の一部にはイオン交換膜43が充填され、イオン交換膜43は特定のイオンのみを通過させる。これにより、酸化反応用電解槽102と還元反応用電解槽103との間で電解液を分離しつつ、イオン交換膜43が設けられた開口部51を介して特定のイオンのみを移動させることができる。ここで、イオン交換膜43は、プロトン交換膜であり、酸化反応用電解槽102で生成されたHを還元反応用電解槽103側に移動させることができる。
[第3の実施形態の効果]
上記第3の実施形態によれば、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
A part of the opening 51 is filled with an ion exchange membrane 43, and the ion exchange membrane 43 allows only specific ions to pass therethrough. Thereby, it is possible to move only specific ions through the opening 51 provided with the ion exchange membrane 43 while separating the electrolytic solution between the oxidation reaction electrolytic cell 102 and the reduction reaction electrolytic cell 103. it can. Here, the ion exchange membrane 43 is a proton exchange membrane, and H + generated in the oxidation reaction electrolytic cell 102 can be moved to the reduction reaction electrolytic cell 103 side.
[Effect of the third embodiment]
According to the third embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

さらに、第3の実施形態では、光化学反応セルを管状の配管に適用する。これにより、COを分解しつつ、酸化触媒層19および還元触媒層20で生成された化合物を配管構造により流通方向に沿って容易に運搬することができる。そして、生成された化合物を化学エネルギーとして利用することができる。 Furthermore, in the third embodiment, the photochemical reaction cell is applied to a tubular pipe. Thus, while decomposing CO 2, it can be easily transported along a compound produced by the oxidation catalyst layer 19 and the reduction catalyst layer 20 in the flow direction through a pipe structure. And the produced | generated compound can be utilized as chemical energy.

また、液体を流して運搬するため、発生したガスの気泡が電極表面や電解層表面にとどまることがない。これにより、気泡による太陽光の散乱に起因する効率低下や光量分布を抑えることができる。
[第3の実施形態の適用例]
次に、第3の実施形態に係る光化学反応装置の適用例について説明する。
Moreover, since the liquid is flowed and transported, the generated gas bubbles do not stay on the electrode surface or the electrolytic layer surface. Thereby, the efficiency fall and light quantity distribution resulting from scattering of the sunlight by a bubble can be suppressed.
[Application Example of Third Embodiment]
Next, an application example of the photochemical reaction device according to the third embodiment will be described.

図28は、第3の実施形態に係る光化学反応装置の適用例を示す平面図である。より具体的には、第3の実施形態に係る管状の配管である光化学反応装置をシステムとして用いる場合の例である。   FIG. 28 is a plan view showing an application example of the photochemical reaction device according to the third embodiment. More specifically, it is an example in which a photochemical reaction device that is a tubular pipe according to the third embodiment is used as a system.

図28に示すように、配管構造は、上述した外側の酸化反応用電解槽102および内側の還元反応用電解槽103からなる配管101と、これらに接続されるCO流路104、HO流路106、CO流路105、およびO流路107と、を備える。 As shown in FIG. 28, the piping structure includes a piping 101 composed of the above-described outer oxidation reaction electrolytic cell 102 and inner reduction reaction electrolytic cell 103, a CO 2 flow path 104 connected thereto, and H 2 O. A channel 106, a CO channel 105, and an O 2 channel 107.

CO流路104は還元反応用電解槽103の一方に接続され、CO流路105は還元反応用電解槽103の他方に接続される。また、HO流路106は酸化反応用電解槽102の一方に接続され、O流路107は酸化反応用電解槽102の他方に接続される。すなわち、配管101を構成する還元反応用電解槽103および酸化反応用電解槽102は一方側で分岐することで、CO流路104およびHO流路106となる。また、配管101を構成する還元反応用電解槽103および酸化反応用電解槽102は他方側で分岐することで、CO流路105およびO流路107となる。 The CO 2 channel 104 is connected to one side of the reduction reaction electrolytic cell 103, and the CO channel 105 is connected to the other side of the reduction reaction electrolytic cell 103. The H 2 O channel 106 is connected to one side of the oxidation reaction electrolytic cell 102, and the O 2 channel 107 is connected to the other side of the oxidation reaction electrolytic cell 102. That is, the reduction reaction electrolytic cell 103 and the oxidation reaction electrolytic cell 102 constituting the pipe 101 are branched on one side to become the CO 2 flow path 104 and the H 2 O flow path 106. Further, the reduction reaction electrolytic bath 103 and the oxidation reaction electrolytic bath 102 constituting the pipe 101 are branched on the other side to become a CO flow path 105 and an O 2 flow path 107.

CO流路104には、外部からCOが流入される。CO流路104において、COは気体で流入されてもよいし、CO吸収剤を含む電解液等で流入されてもよい。CO流路104は、還元反応用電解槽103と接続される(一体である)ため、光化学反応セルを管状に形成したもので構成されるが、これに限らず、気体であるCOおよびCO吸収剤を含む電解液を流入可能なもので構成されればよい。 The CO 2 flow path 104, CO 2 is introduced from the outside. In the CO 2 flow path 104, CO 2 may be introduced as a gas, or may be introduced as an electrolytic solution containing a CO 2 absorbent. CO 2 flow path 104 (an integral), which is the connected to the reduction reaction electrolyzer 103 for, consists of those forming the photochemical reaction cell in tubular, not limited to this, CO 2 and a gas an electrolytic solution containing a CO 2 absorbent may be made in what can flow.

O流路106には、外部からHOが流入される。HO流路106において、HOは気体で流入されてもよいし、液体で流入されてもよい。HO流路106は、酸化反応用電解槽102と接続される(一体である)ため、光透過性を有する管状の配管101と同様のもので構成されるが、これに限らず、気体および液体のHOを供給可能なもので構成されればよい。 The H 2 O flow path 106, H 2 O is introduced from the outside. In the H 2 O flow channel 106, H 2 O may be introduced as a gas or a liquid. Since the H 2 O flow path 106 is connected (integrated) with the oxidation reaction electrolytic cell 102, it is configured by the same thing as the tubular pipe 101 having light permeability, but is not limited thereto, and of H 2 O liquid may be made in what can be supplied.

酸化反応用電解槽102には、HO流路106から流入されたHOが流入される。そして、HOは、酸化触媒層19によって酸化されてOとHが生成される。一方、還元反応用電解槽103には、CO流路104から流入されたCOが流入される。そして、COは、還元触媒層20によって還元されて炭素化合物(CO等)が生成される。 H 2 O that has flowed from the H 2 O flow path 106 flows into the oxidation reaction electrolytic cell 102. Then, H 2 O is oxidized by the oxidation catalyst layer 19 to generate O 2 and H + . On the other hand, CO 2 that has flowed from the CO 2 flow path 104 flows into the electrolytic cell 103 for reduction reaction. Then, CO 2 is reduced by the reduction catalyst layer 20 to generate a carbon compound (CO or the like).

CO流路105は、還元反応用電解槽103で生成されたCO等の炭素化合物を外部に流出する。CO流路105において、COは気体で流出されてもよいし、液体で流出されてもよい。また、CO流路105は、還元反応用電解槽103の他方に接続されるものである。このため、光化学反応セルを管状に形成したもので構成されるが、これに限らず、気体および液体であるCOを流出可能なもので構成されればよい。   The CO channel 105 flows out a carbon compound such as CO generated in the reduction reaction electrolytic cell 103 to the outside. In the CO channel 105, CO may flow out as a gas or liquid. The CO channel 105 is connected to the other of the reduction reaction electrolytic cell 103. For this reason, although it is comprised with what formed the photochemical reaction cell in the shape of a tube, not only this but what should just be comprised with what can flow out CO which is gas and liquid.

流路107は、酸化反応用電解槽102で生成されたOを外部に流出する。O流路107において、Oは気体で流出されてもよいし、液体で流出されてもよい。また、O流路107は、酸化反応用電解槽102の他方に接続されるものである。このため、光透過性を有する管状の配管101と同様のもので構成されるが、これに限らず、気体および液体のOを流出可能なもので構成されればよい。 The O 2 flow path 107 flows out O 2 generated in the oxidation reaction electrolytic cell 102 to the outside. In the O 2 flow path 107, O 2 may flow out as a gas or may flow out as a liquid. The O 2 flow path 107 is connected to the other side of the oxidation reaction electrolytic cell 102. Therefore, composed of the same as the pipe 101 of the tubular having light transmittance, not limited thereto, and may be made of the O 2 gas and liquid in what can flow.

また、配管101の光出射面側に、反射板108を配置してもよい。反射板108は、例えば管状の配管101に沿った凹面鏡であり、光を反射して再び配管101内に入射させることができる。これにより、光化学反応効率の向上を図ることができる。また、配管101内を液体で満たすことによって、反射条件を変えることができる。これにより、配管101や気液界面の反射、屈折によって光を配管101内に入射させ、光化学反応効率の向上を図ることもできる。   Further, the reflecting plate 108 may be disposed on the light exit surface side of the pipe 101. The reflection plate 108 is, for example, a concave mirror along the tubular pipe 101, and can reflect light and enter the pipe 101 again. Thereby, the improvement of photochemical reaction efficiency can be aimed at. In addition, the reflection condition can be changed by filling the pipe 101 with a liquid. Thereby, the light can enter the pipe 101 by reflection or refraction at the pipe 101 or the gas-liquid interface, and the photochemical reaction efficiency can be improved.

このように、第3の実施形態に係る管状の配管である光化学反応装置を用いることで、外部から流入されるCOを分解し、それによって生成される生成物を還元側と酸化側で分離して外部へと流出することができる。
3.光化学反応システム
以下に図29乃至図34を用いて、本実施形態に係る光化学反応システムについて説明する。本実施形態に係る光化学反応システムは、例えば図28に示す配管構造によって設計され得る。
In this way, by using the photochemical reaction device which is a tubular pipe according to the third embodiment, CO 2 flowing from the outside is decomposed, and the products generated thereby are separated on the reduction side and the oxidation side. And can flow out to the outside.
3. Photochemical Reaction System The photochemical reaction system according to this embodiment will be described below with reference to FIGS. 29 to 34. The photochemical reaction system according to the present embodiment can be designed by a piping structure shown in FIG. 28, for example.

図29は、本実施形態に係る光化学反応システムの構成を示すブロック図である。   FIG. 29 is a block diagram showing the configuration of the photochemical reaction system according to this embodiment.

図29に示すように、CO還元手段110、CO発生手段111、およびCO吸収手段112を備える。 As shown in FIG. 29, a CO 2 reducing unit 110, a CO 2 generating unit 111, and a CO 2 absorbing unit 112 are provided.

CO還元手段110は、例えば上述した光化学反応装置である。CO還元手段110は、CO吸収手段112にCO吸収剤を含む電解液を流出し、CO吸収手段112からCOを吸収したCO吸収剤を含む電解液を流入する。そして、CO還元手段110は、CO吸収剤に吸収されたCOを還元することにより、CO、HCOOH、CHOH、またはCH等の炭素化合物を生成し、これらをCO発生手段111に流出する。また、CO還元手段110は、COの還元とともにHOを酸化することにより、Oを生成し、これをCO発生手段111に流出する。 The CO 2 reduction unit 110 is, for example, the above-described photochemical reaction device. CO 2 reduction unit 110 flows out the electrolytic solution containing CO 2 absorbent to CO 2 absorption means 112, the electrolyte flows into the containing CO 2 absorbent having absorbed CO 2 from the CO 2 absorbing means 112. Then, CO 2 reduction unit 110, by reducing the CO 2 absorbed by the CO 2 absorbent, CO, HCOOH, CH 3 OH or generates carbon compounds CH 4, etc., these CO 2 generating means, It flows out to 111. Further, the CO 2 reducing unit 110 generates O 2 by oxidizing H 2 O together with the reduction of CO 2 , and flows it out to the CO 2 generating unit 111.

CO発生手段111は、例えば発電所である。CO発生手段111は、CO還元手段110で生成されたCO、HCOOH、CHOH、またはCH等の炭素化合物を流入する。そして、CO発生手段111は、CHOH、またはCH等の炭素燃料を燃焼させることにより、エネルギーを得るとともにCOを生成する。CO発生手段111は、発生したCOをCO吸収手段112に流出する。また、CO発生手段111は、CO発生手段111で生成されたOを流入する。このOを助燃剤として用いることで、炭素燃料の燃焼効率を向上させてCOの総排出量を減少させることができる。 The CO 2 generation means 111 is, for example, a power plant. The CO 2 generation means 111 flows in the carbon compound such as CO, HCOOH, CH 3 OH, or CH 4 generated by the CO 2 reduction means 110. The CO 2 generation means 111 obtains energy and generates CO 2 by burning carbon fuel such as CH 3 OH or CH 4 . The CO 2 generation means 111 flows the generated CO 2 out to the CO 2 absorption means 112. Further, the CO 2 generation means 111 flows in O 2 generated by the CO 2 generation means 111. By using this O 2 as a combustion aid, the combustion efficiency of the carbon fuel can be improved and the total CO 2 emission can be reduced.

CO吸収手段112は、例えばCCS(Carbon Dioxide Capture and Storage)である。CO吸収手段112は、CO還元手段110から流入されたCO吸収剤を用いて、CO発生手段111で生成されたCOを吸収する。これにより、CO吸収手段112は、COを収集および貯蔵する。そして、CO吸収手段112は、COを吸収したCO吸収剤を含む電解液をCO還元手段110に流出する。 The CO 2 absorption means 112 is, for example, CCS (Carbon Dioxide Capture and Storage). CO 2 absorption means 112 uses the CO 2 absorbent that is flowing from the CO 2 reduction unit 110, to absorb the CO 2 produced by the CO 2 generation unit 111. Thereby, the CO 2 absorption means 112 collects and stores CO 2 . Then, the CO 2 absorbing unit 112 flows out the electrolytic solution containing CO 2 absorbent having absorbed CO 2 in the CO 2 reduction unit 110.

このように、本実施形態に係る光化学反応システムによれば、CO発生手段111によって炭素燃料を燃焼させてエネルギーを得るとともにCOを生成し、CO吸収手段112によって生成されたCOを吸収し、CO還元手段110によってCOを還元分解する。そして、CO還元手段110によってCOの還元分解とともに生成された炭素化合物を炭素燃料として再びCO発生手段111に流出する。これにより、COの分解を効率よく行うとともに、それによって生成される生成物を用いて効率よくエネルギーを得ることができる。 Thus, according to the photochemical reaction system according to this embodiment, it generates CO 2 with obtaining energy by burning carbon fuels by CO 2 generation unit 111, the CO 2 produced by the CO 2 absorbing means 112 It is absorbed and CO 2 is reduced and decomposed by the CO 2 reducing means 110. Then, again flows into CO 2 generating unit 111 carbon compound produced with reductive decomposition of CO 2 by CO 2 reduction unit 110 as a carbon fuel. As a result, CO 2 can be efficiently decomposed, and energy can be efficiently obtained using the product produced thereby.

なお、炭素燃料を燃焼させてCOを排出するCO発生手段111としては発電所に限らず、鉄工所、化学工場、またはごみ処理場等も挙げられる。鉄工所では、高温が必要ととなり、COの排出量およびOの消費量が多くなるため、上記システムは適している。また、化学工場等では、エネルギー、炭素化合物、およびOをすべて必要となるため、上記システムは適している。 The present invention is not limited to the power plant as a CO 2 generating unit 111 for discharging the CO 2 by burning carbon fuels, ironworks, chemical plants or landfills, etc. may be mentioned. In ironworks, high temperatures are required, and CO 2 emissions and O 2 consumption are increased, so the above system is suitable. Further, in chemical plants and the like, energy, carbon compounds, and O 2, and therefore the necessary all, the system is suitable.

また、CO還元手段110によって生成されるOを養殖場の魚等の生物に供給することで、成長を促進させる効果や病気を防ぐ効果がある。そして、生物から排出されたCOをCO還元手段110によって還元させるとともに、生成されるOを再び生物に供給することができる。また、COを還元して生成される炭素化合物をCO発生手段111によって炭素燃料として燃焼させることで、熱や電気などのエネルギーを得ることができる。そして、これを再び養殖場に供給することも可能である。 In addition, by supplying O 2 generated by the CO 2 reducing means 110 to organisms such as fish in the farm, there are effects of promoting growth and preventing diseases. Then, the CO 2 discharged from the organism can be reduced by the CO 2 reduction means 110, and the generated O 2 can be supplied again to the organism. Moreover, energy such as heat and electricity can be obtained by burning a carbon compound produced by reducing CO 2 as carbon fuel by the CO 2 generating means 111. It is also possible to supply this to the farm again.

また、CO還元手段110によって生成されるOを下水処理のバクテリア等に供給することで、処理の効率を向上させることができる。同様に、COを還元して生成される炭素化合物を炭素燃料として燃焼させることで、熱や電気などのエネルギーを得ることができる。そして、これを再び下水処理場に供給することも可能である。これにより、下水処理場の運営コストを低下することができる。さらに、CO還元手段110によってCOの還元分解とともに生成された副生物のHを利用して、バクテリアによってCHOH、COH、またはCH等の炭素化合物を生成してもよい。 Further, by supplying O 2 generated by the CO 2 reduction means 110 to sewage treatment bacteria or the like, the efficiency of the treatment can be improved. Similarly, energy such as heat and electricity can be obtained by burning a carbon compound produced by reducing CO 2 as a carbon fuel. And it is also possible to supply this to a sewage treatment plant again. Thereby, the operating cost of a sewage treatment plant can be reduced. Further, by using the by-product H 2 generated by the CO 2 reduction means 110 together with the reductive decomposition of CO 2 , a carbon compound such as CH 3 OH, C 2 H 5 OH, or CH 4 is generated by bacteria. Also good.

また、CO還元手段110によって生成されるOを病院に供給することができる。同様に、COを還元して生成される炭素化合物をCO発生手段111によって炭素燃料として燃焼させることで、熱や電気などのエネルギーを得て、これを病院に供給することも可能である。さらに、自家発電分などのCOを再びCO還元手段110に供給して化学エネルギーを得てもよい。 Moreover, O 2 produced | generated by the CO 2 reduction | restoration means 110 can be supplied to a hospital. Similarly, it is possible to obtain energy such as heat and electricity by supplying the carbon compound produced by reducing CO 2 as carbon fuel by the CO 2 generating means 111 and supplying it to the hospital. . Furthermore, chemical energy may be obtained by supplying CO 2 such as private power generation to the CO 2 reduction means 110 again.

また、Oを酸化力として、空気浄化システム、水浄化システム、または有機物の汚染したものを洗浄するシステムに用いてもよい。そして、得たエネルギーをシステム運営に用い、これらシステムに用いるエネルギー供給によって生じるCOを吸収してCO還元手段110およびCO発生手段111によって再度化学エネルギーに変換し、サイクルしてもよい。 Further, O 2 may be used as an oxidizing power for an air purification system, a water purification system, or a system for cleaning contaminated organic substances. Then, the obtained energy may be used for system operation, CO 2 generated by energy supply used in these systems may be absorbed and converted again into chemical energy by the CO 2 reducing means 110 and the CO 2 generating means 111, and cycled.

図30は、本実施形態に係る光化学反応システムの変形例1の構成を示すブロック図である。また、図31は、本実施形態に係る光化学反応システムの変形例2の構成を示すブロック図である。また、図32は、本実施形態に係る光化学反応システムの変形例3の構成を示すブロック図である。   FIG. 30 is a block diagram showing a configuration of Modification 1 of the photochemical reaction system according to the present embodiment. FIG. 31 is a block diagram showing a configuration of Modification 2 of the photochemical reaction system according to the present embodiment. FIG. 32 is a block diagram showing a configuration of Modification 3 of the photochemical reaction system according to the present embodiment.

CO還元手段110(還元触媒層20)によって、COを分解してCOまたはHCOOHを生成することはできるが、一気に炭素燃料となるCHOHまたはCH等を生成することは困難である。すなわち、CO還元手段110によってCOまたはHCOOHを形成した後、これらをCHOHまたはCH等に変換することが必要である。 The CO 2 reduction unit 110 (reduction catalyst layer 20), although it is possible to decompose the CO 2 to form CO or HCOOH, it is difficult to generate at once as a carbon fuel CH 3 OH or CH 4, etc. . That is, after CO or HCOOH is formed by the CO 2 reducing means 110, it is necessary to convert them into CH 3 OH or CH 4 or the like.

これに対し、図30に示すように、変形例1における光化学反応システムは、第1化学プロセス手段113およびバッファタンク114を有する。   On the other hand, as shown in FIG. 30, the photochemical reaction system in the first modification includes a first chemical process means 113 and a buffer tank 114.

第1化学プロセス手段113およびバッファタンク114は、CO還元手段110とCO発生手段111との間の流路に設けられる。第1化学プロセス手段113は、CO還元手段110によって生成されたCOまたはHCOOHを化学反応させて、CHOHまたはCH等を生成する。すなわち、第1化学プロセス手段113は、炭素燃料の生成における中間処理を行う。このとき、CO還元手段110によって生成されるCOとHとの割合を電解液の化学構造や電解液中の水分量を調整することによって第1化学プロセス手段113に適した割合に調整するとよい。例えば、CHOHを生成する場合、以下の(3)式によって反応する。 The first chemical process means 113 and the buffer tank 114 are provided in a flow path between the CO 2 reducing means 110 and the CO 2 generating means 111. The first chemical process means 113 chemically reacts CO or HCOOH produced by the CO 2 reduction means 110 to produce CH 3 OH or CH 4 or the like. That is, the 1st chemical process means 113 performs the intermediate process in the production | generation of carbon fuel. At this time, if the ratio of CO and H 2 produced by the CO 2 reducing means 110 is adjusted to a ratio suitable for the first chemical process means 113 by adjusting the chemical structure of the electrolytic solution and the amount of water in the electrolytic solution. Good. For example, when producing CH 3 OH, the reaction is carried out according to the following formula (3).

CO+H → CHOH ・・・(3)
(3)式に示すように、COとHからCHOHを生成する場合、化学量論的にCO:H=1:2で反応が進行する。このため、CO還元手段110によって生成されるCOとHとの割合を上記割合に調整することが望ましい。
CO + H 2 → CH 3 OH (3)
(3) As shown in equation, when generating a CH 3 OH from CO and H 2, stoichiometrically CO: H = 1: 2 by reaction proceeds. Therefore, the ratio of CO and H 2 generated by the CO 2 reduction unit 110 is preferably adjusted to the rate.

なお、実際のプロセスにおいて、エネルギー効率やコストを考慮するため、これとは異なる割合になることが多いが適した割合に調整することができる。   In an actual process, in order to consider energy efficiency and cost, the ratio is often different from this, but can be adjusted to a suitable ratio.

また、デバイス温度や光の強弱、波長の変化によって生成物が変化する場合がある。この変動に対処するために、バッファタンク114が設けられる。   In addition, the product may change depending on device temperature, light intensity, and wavelength. In order to cope with this variation, a buffer tank 114 is provided.

ところで、CO還元手段110が太陽光エネルギーを用いる場合、雨季などによる長期的変化に対応するとバッファタンク114を大型化するなどの問題が生じる。 By the way, when the CO 2 reduction means 110 uses solar energy, there arises a problem that the buffer tank 114 is increased in size in response to a long-term change due to the rainy season or the like.

これに対し、図31に示すように、変形例2における光化学反応システムは、第2化学プロセス手段115をさらに有する。   On the other hand, as shown in FIG. 31, the photochemical reaction system in Modification 2 further includes second chemical process means 115.

第2化学プロセス手段115は、CO還元手段110とCO発生手段111との間の流路に設けられ、第1化学プロセス手段113とは異なる流路として設けられる。第2化学プロセス手段115は、第1化学プロセス手段113とは異なる製造装置および製造方法である。 The second chemical process means 115 is provided in a flow path between the CO 2 reduction means 110 and the CO 2 generation means 111, and is provided as a flow path different from the first chemical process means 113. The second chemical process means 115 is a manufacturing apparatus and a manufacturing method different from the first chemical process means 113.

このように、第1化学プロセス手段113と第2化学プロセス手段115とを異なる流路として設け、これらを適宜切り替えることで、気象条件や温度条件による化学反応の変動を解決してもよい。   As described above, the first chemical process means 113 and the second chemical process means 115 may be provided as different flow paths, and these may be switched as appropriate, thereby solving fluctuations in the chemical reaction due to weather conditions and temperature conditions.

なお、第1化学プロセス手段113および第2化学プロセス手段115の反応条件を変えたり、生成物を変えたりしてもよい。この際、第1化学プロセス手段113および第2化学プロセス手段115のそれぞれの生成物のタンク容量によって変える場合があってもよい。また、CO還元手段110で生成されたOをこれらに供給してもよい。これらの組み合わせは一例であって、複数の化学プロセス手段や多段のプロセスとの組み合わせに関して制限はない。また、反射板108の角度や位置を変化させたり、管内の液体量を変化させたりすることで、反射条件を変えることができる。これにより、配管や気液界面の反射、屈折によって配管101内への光の入射量を変化させることができ、その結果、光化学反応効率の向上を図ることともに生成物を選択的に作り変えることができる。 Note that the reaction conditions of the first chemical process means 113 and the second chemical process means 115 may be changed, or the product may be changed. At this time, there may be a case where the first chemical process means 113 and the second chemical process means 115 change depending on the tank capacities of the products. Moreover, the O 2 generated by the CO 2 reduction unit 110 may be supplied thereto. These combinations are merely examples, and there are no restrictions on combinations with a plurality of chemical process means or multistage processes. In addition, the reflection condition can be changed by changing the angle or position of the reflection plate 108 or changing the amount of liquid in the tube. As a result, the amount of light incident on the pipe 101 can be changed by reflection and refraction at the pipe and the gas-liquid interface. As a result, the photochemical reaction efficiency is improved and the product is selectively reshaped. Can do.

ところで、CO還元手段110における光化学反応セルでは、太陽光を照射すると、多接合型太陽電池17において電荷分離が生じ、酸化触媒層19によってHOが酸化されてHとOが生成される。このとき、酸化触媒層19による酸化反応によって電子が対極の還元触媒層20に移動する。この移動した電子によって、還元触媒層20によるCOの還元反応が進行する。しかし、HOを酸化するエネルギーは、非常に大きい。このため、HOの酸化電位とCOの還元電位とには大きな電位差がある。したがって、HOの酸化反応およびCOの還元反応を進めることは、大きなエネルギーが必要であり、非常に困難である。 By the way, in the photochemical reaction cell in the CO 2 reduction means 110, when sunlight is irradiated, charge separation occurs in the multi-junction solar cell 17, and H 2 O is oxidized by the oxidation catalyst layer 19 to generate H + and O 2. Is done. At this time, electrons move to the reduction catalyst layer 20 of the counter electrode by the oxidation reaction by the oxidation catalyst layer 19. Due to the transferred electrons, the reduction reaction of CO 2 by the reduction catalyst layer 20 proceeds. However, the energy for oxidizing H 2 O is very large. For this reason, there is a large potential difference between the oxidation potential of H 2 O and the reduction potential of CO 2 . Therefore, advancing the oxidation reaction of H 2 O and the reduction reaction of CO 2 requires a large amount of energy and is very difficult.

そこで、酸化触媒層19側の電子源(還元体)としてトリエタノールアミンのような犠牲試薬を用いる例が知られている。酸化触媒層19によってHOをHとOに分解する反応の代わりに犠牲試薬のような還元体を用いることで、酸化反応と還元反応との電位差を減少させることができる。これにより、酸化反応および還元反応は、比較的容易に進行する。その結果、多接合の太陽電池の接合数を減少させたり、太陽電池を単層で構成したりすることができる。また、同じ太陽電池を用いた場合であっても、電流が増加するために反応はより進行する。これらの組み合わせは、酸化と還元との電位差、代用電池の出力、または触媒の組み合わせによって任意に設定することができる。さらに、酸化触媒層19側の電子源(還元体)としてトリエタノールアミンのような犠牲試薬種を変化させること、トリエタノールアミンを水溶液として供給して濃度を変化させること、またはトリエタノールアミンを水と置き換えることによって、気象の変化による反応低下を抑えたり、生成物を変化させたりすることもできる。 Therefore, an example is known in which a sacrificial reagent such as triethanolamine is used as the electron source (reduced form) on the oxidation catalyst layer 19 side. By using a reductant such as a sacrificial reagent instead of the reaction of decomposing H 2 O into H + and O 2 by the oxidation catalyst layer 19, the potential difference between the oxidation reaction and the reduction reaction can be reduced. As a result, the oxidation reaction and the reduction reaction proceed relatively easily. As a result, the number of junctions of a multi-junction solar cell can be reduced, or the solar cell can be configured as a single layer. Further, even when the same solar cell is used, the reaction proceeds more because the current increases. These combinations can be arbitrarily set according to the potential difference between oxidation and reduction, the output of the substitute battery, or a combination of catalysts. Further, the sacrificial reagent species such as triethanolamine is changed as an electron source (reduced form) on the oxidation catalyst layer 19 side, the concentration is changed by supplying triethanolamine as an aqueous solution, or the triethanolamine is converted into water. By substituting, it is possible to suppress a decrease in response due to changes in weather or to change the product.

図32に示すように、変形例3における光化学反応システムでは、上述したような酸化還元反応の電位差を小さくする還元体として、自然界116から大量に得られる還元体を用いる。なお、ここで、還元体とは、還元力を有するものを示す。言い換えると、還元体とは、自身が酸化されて電子を失い、その電子によって他の物質を還元するものを示す。   As shown in FIG. 32, in the photochemical reaction system in Modification 3, a reductant obtained in large quantities from the natural world 116 is used as a reductant that reduces the potential difference in the oxidation-reduction reaction as described above. In addition, a reductant shows what has a reducing power here. In other words, the reductant refers to a substance that is oxidized and loses electrons, and reduces other substances by the electrons.

このような自然界116から得られる還元体として、例えば鉱山からの排水中に存在する鉄の2価イオン(Fe2+)等が挙げられる。他にも硫化水素やいおうなど自然界に存在する還元体であれば、制限は無い。変形例3における光化学反応システムでは、CO還元手段110における酸化触媒層19側の反応として、自然界116から得られるFe2+が用いられる。以下に、CO還元手段110における光化学反応セルの化学反応について、詳説する。 Examples of the reductant obtained from the natural world 116 include iron divalent ions (Fe 2+ ) and the like present in wastewater from the mine. There is no limitation as long as it is a reductant existing in nature, such as hydrogen sulfide or sulfur. In the photochemical reaction system in Modification 3, Fe 2+ obtained from the natural world 116 is used as the reaction on the oxidation catalyst layer 19 side in the CO 2 reduction means 110. Hereinafter, the chemical reaction of the photochemical reaction cell in the CO 2 reduction means 110 will be described in detail.

図33は、本実施形態に係る光化学反応システムの変形例3における光化学反応セルの動作原理を示す断面図である。ここでは、反射層12、還元電極層13、および酸化電極層18は省略している。   FIG. 33 is a cross-sectional view showing the operation principle of the photochemical reaction cell in Modification 3 of the photochemical reaction system according to the present embodiment. Here, the reflection layer 12, the reduction electrode layer 13, and the oxidation electrode layer 18 are omitted.

図29に示すように、酸化触媒層19付近において、自然界から得たFe2+が酸化されて(電子を失い)鉄の3価イオン(Fe3+)が生成される。この酸化反応によって生じた電子が還元触媒層20へと移動する。そして、還元触媒層20付近において、移動した電子によって還元反応が生じる。より具体的には、COが還元されてCOが生成されたり、HOが還元されてHが生成されたりする。 As shown in FIG. 29, in the vicinity of the oxidation catalyst layer 19, Fe 2+ obtained from the natural world is oxidized (loses electrons) to generate iron trivalent ions (Fe 3+ ). Electrons generated by this oxidation reaction move to the reduction catalyst layer 20. In the vicinity of the reduction catalyst layer 20, a reduction reaction is caused by the moved electrons. More specifically, CO 2 is reduced to produce CO, or H 2 O is reduced to produce H 2 .

このとき、Fe2+の酸化反応とCOまたはHOの還元反応との電位差が小さい。このため、これらの酸化反応および還元反応を比較的容易に進行させることができる。 At this time, the potential difference between the oxidation reaction of Fe 2+ and the reduction reaction of CO 2 or H 2 O is small. For this reason, these oxidation reactions and reduction reactions can proceed relatively easily.

上述したFe2+は、世界中の鉱山に大量に存在し、その多くは硫黄を含む鉱山廃水中に存在する。このため、坑道内などで硫黄の酸化によって生じたpHの低い硫酸水が環境問題となっている。特に、Fe2+の場合、安価な炭酸カルシウムのような中和剤で中和する必要がある。しかし、Fe2+は炭酸カルシウムと反応しにくい。このため、Fe2+をFe3+に酸化するために、バクテリアを用いてエネルギーを消費しているという問題がある。 The above-described Fe 2+ is present in large quantities in mines around the world, and many of them are present in mine wastewater containing sulfur. For this reason, low pH sulfuric acid produced by oxidation of sulfur in a tunnel or the like is an environmental problem. In particular, Fe 2+ needs to be neutralized with a neutralizing agent such as inexpensive calcium carbonate. However, Fe 2+ hardly reacts with calcium carbonate. For this reason, in order to oxidize Fe < 2+> to Fe <3+> , there exists a problem that energy is consumed using bacteria.

これに対し、本実施形態に係る光化学反応システムの変形例3によれば、酸化触媒層19側の電解液として自然界116から得られるFe2+を含む抗廃水(鉱廃水)を用いる。このFe2+が還元体となることで、還元触媒層20によってHやCO等のエネルギー物質を容易に得ることができる。それとともに、自然界116のFe2+を酸化することが可能となり、Fe2+による環境問題を解消することができる。 On the other hand, according to the third modification of the photochemical reaction system according to the present embodiment, anti-waste water (mineral waste water) containing Fe 2+ obtained from the natural world 116 is used as the electrolytic solution on the oxidation catalyst layer 19 side. When this Fe 2+ becomes a reductant, energy substances such as H 2 and CO can be easily obtained by the reduction catalyst layer 20. At the same time, it becomes possible to oxidize Fe 2+ in the natural world 116, and environmental problems due to Fe 2+ can be solved.

なお、このようにして得たエネルギーを鉱廃水処理施設や鉱山の採掘のエネルギーとして使用するとエネルギーの移動によるロスがなく、より望ましい。   In addition, it is more preferable that the energy obtained in this way is used as mining wastewater treatment facility or mining energy because there is no loss due to energy transfer.

また、図34に示すように、Fe3+となって沈殿した水酸化第二鉄(Fe(OH))を還元触媒層20側の電解液として還元することも有効である。これにより、Fe2+を生成し、再び酸化触媒層19側の電解液として用いることで、還元体としてサイクルすることができる。 As shown in FIG. 34, it is also effective to reduce ferric hydroxide (Fe (OH) 3 ) precipitated as Fe 3+ as an electrolytic solution on the reduction catalyst layer 20 side. Thereby, Fe <2+> is produced | generated and can be cycled as a reductant by using again as electrolyte solution by the side of the oxidation catalyst layer 19 side.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

11…基板、17…多接合型太陽電池、19…酸化触媒層、20…還元触媒層、31…電解槽、41…電解槽流路、42…循環機構、43…イオン交換膜、44…温度調整機構、45…酸化反応用電解槽、46…還元反応用電解槽、51…開口部、52…貫通孔、61…保護層、110…CO還元手段、111…CO発生手段、112…CO吸収手段、113…化学プロセス手段、116…自然界。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Board | substrate, 17 ... Multijunction type solar cell, 19 ... Oxidation catalyst layer, 20 ... Reduction catalyst layer, 31 ... Electrolyzer, 41 ... Electrolyzer flow path, 42 ... Circulation mechanism, 43 ... Ion exchange membrane, 44 ... Temperature adjusting mechanism, 45 ... oxidation reaction electrolyzer, 46 ... reduction electrolyzer, 51 ... opening, 52 ... through hole, 61 ... protective layer, 110 ... CO 2 reduction unit, 111 ... CO 2 generating unit, 112 ... CO 2 absorption means, 113 ... chemical process means, 116 ... nature.

Claims (17)

Oを酸化してOとHを生成する酸化触媒層とCを還元して炭素化合物を生成する還元触媒層と前記酸化触媒層および前記還元触媒層の間に形成され、光エネルギーにより電荷分離する半導体層とを有する積層体を備えるCO還元手段を具備し、
前記積層体は、前記積層体を貫通し、前記酸化触媒層側と前記還元触媒層側との間でイオンを移動させる第1開口部を含む複数の開口部を有し、
前記酸化触媒層側における前記第1開口部のサイズは、前記還元触媒層側における前記第1開口部のサイズと異なる
ことを特徴とする光化学反応システム。
Formed between an oxidation catalyst layer that oxidizes H 2 O to generate O 2 and H + , a reduction catalyst layer that reduces C 2 O 2 to generate a carbon compound, the oxidation catalyst layer, and the reduction catalyst layer; comprising a CO 2 reduction hand stage comprising a laminate having a semiconductor layer for charge separation by light energy,
The laminate has a plurality of openings including a first opening that penetrates the laminate and moves ions between the oxidation catalyst layer side and the reduction catalyst layer side,
The photochemical reaction system, wherein the size of the first opening on the oxidation catalyst layer side is different from the size of the first opening on the reduction catalyst layer side .
COを発生するCO発生手段をさらに具備し、
前記CO還元手段は、生成された炭素化合物を前記CO発生手段へ流出し、
前記CO発生手段は、前記CO還元手段から流出された炭素化合物を燃焼させてエネルギーを得る
ことを特徴とする請求項1に記載の光化学反応システム。
CO 2 generating means for generating CO 2 is further provided,
The CO 2 reduction means flows the generated carbon compound to the CO 2 generation means,
2. The photochemical reaction system according to claim 1, wherein the CO 2 generating unit obtains energy by burning a carbon compound discharged from the CO 2 reducing unit.
前記CO還元手段は、生成されたOを前記CO発生手段へ流出し、
前記CO発生手段は、前記CO還元手段から流出されたOを、前記CO還元手段から流出された炭素化合物を燃焼させる助燃剤として用いる
ことを特徴とする請求項2に記載の光化学反応システム。
The CO 2 reduction means flows out the generated O 2 to the CO 2 generation means,
The CO 2 generating means, photochemical according to claim 2, wherein the CO and O 2 flowing out from the 2 reduction means, is characterized by using a carbon compound that is flowing out of the CO 2 reduction unit as a combustion improver for burning Reaction system.
前記CO還元手段から流出された炭素化合物を化学変化させて前記CO発生手段に流出する化学プロセス手段をさらに具備することを特徴とする請求項2または請求項3に記載の光化学反応システム。 4. The photochemical reaction system according to claim 2, further comprising chemical process means for chemically changing the carbon compound flowing out from the CO 2 reducing means and flowing it out to the CO 2 generating means. 前記CO還元手段は、生成されたOを、化学プロセス手段に供給することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の光化学反応システム。 5. The photochemical reaction system according to claim 1, wherein the CO 2 reduction unit supplies the generated O 2 to a chemical process unit. 6. 前記CO還元手段は、生成されたOを、発電所、鉄工所、化学工場、ごみ処理場、養殖場、下水処理場、または病院に供給することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の光化学反応システム。 The CO 2 reduction means, the generated O 2, power plants, ironworks, chemical plants, waste treatment plants, farms claims 1 and supplying sewage treatment plant, or to the hospital 5. The photochemical reaction system according to any one of 4 above. 前記積層体における前記複数の開口部の面積率は40%以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の光化学反応システム。   The photochemical reaction system according to any one of claims 1 to 6, wherein an area ratio of the plurality of openings in the stacked body is 40% or less. 前記第1開口部は、光の入射面側からその裏面側に向かってサイズが大きくなるテーパー形状であることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の光化学反応システム。 It said first opening, photochemical reactions according to any one of claims 1 to 7, characterized in that size from the incident surface of the light toward the rear surface side is larger tapered system. 前記複数の開口部は、前記酸化触媒層側と前記還元触媒層側との間でイオンを移動させ、前記積層体を貫通し、前記第1開口部に隣り合う第2開口部をさらに有し、
前記第2開口部は、前記第1開口部と異なるサイズを有することを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の光化学反応システム。
The plurality of openings further include a second opening that moves ions between the oxidation catalyst layer side and the reduction catalyst layer side, penetrates the stacked body, and is adjacent to the first opening. ,
The photochemical reaction system according to claim 1 , wherein the second opening has a size different from that of the first opening .
Oを酸化してOとHを生成する酸化触媒層とCを還元して炭素化合物を生成する還元触媒層と前記酸化触媒層および前記還元触媒層の間に形成され、光エネルギーにより電荷分離する半導体層とを有する積層体と、を備えるCO還元手段を具備し、
前記積層体は、前記積層体を貫通し、前記酸化触媒層側と前記還元触媒層側との間でイオンを移動させる第1開口部を含む複数の開口部を有し、
前記第1開口部の内面上に、誘電体で構成される保護層が形成される
ことを特徴とする光化学反応システム。
Formed between an oxidation catalyst layer that oxidizes H 2 O to generate O 2 and H + , a reduction catalyst layer that reduces C 2 O 2 to generate a carbon compound, the oxidation catalyst layer, and the reduction catalyst layer; comprising a CO 2 reduction hand stage comprising a laminate having a semiconductor layer for charge separation by light energy, and,
The laminate has a plurality of openings including a first opening that penetrates the laminate and moves ions between the oxidation catalyst layer side and the reduction catalyst layer side,
A photochemical reaction system, wherein a protective layer made of a dielectric is formed on an inner surface of the first opening.
前記保護層は、TiO、ZrO、Al、SiO、およびHfOのいずれかを含むことを特徴とする請求項10に記載の光化学反応システム。 The photochemical reaction system according to claim 10, wherein the protective layer includes any one of TiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 , and HfO 2 . COを発生するCO発生手段をさらに具備し、
前記CO還元手段は、生成された炭素化合物を前記CO発生手段へ流出し、
前記CO発生手段は、前記CO還元手段から流出された炭素化合物を燃焼させてエネルギーを得る
ことを特徴とする請求項10または請求項11に記載の光化学反応システム。
CO 2 generating means for generating CO 2 is further provided,
The CO 2 reduction means flows the generated carbon compound to the CO 2 generation means,
The photochemical reaction system according to claim 10 or 11, wherein the CO 2 generating means obtains energy by combusting a carbon compound discharged from the CO 2 reducing means.
前記CO還元手段は、生成されたOを前記CO発生手段へ流出し、
前記CO発生手段は、前記CO還元手段から流出されたOを、前記CO還元手段から流出された炭素化合物を燃焼させる助燃剤として用いる
ことを特徴とする請求項12に記載の光化学反応システム。
The CO 2 reduction means flows out the generated O 2 to the CO 2 generation means,
The CO 2 generating means, photochemical of claim 12, the O 2 flowing out from the CO 2 reduction means, is characterized by using a carbon compound that is flowing out of the CO 2 reduction unit as a combustion improver for burning Reaction system.
前記CO還元手段から流出された炭素化合物を化学変化させて前記CO発生手段に流出する化学プロセス手段をさらに具備することを特徴とする請求項12または請求項13に記載の光化学反応システム。 14. The photochemical reaction system according to claim 12, further comprising chemical process means for chemically changing the carbon compound flowing out from the CO 2 reducing means and flowing it out to the CO 2 generating means. 前記CO還元手段は、生成されたOを、化学プロセス手段に供給することを特徴とする請求項10乃至請求項14のいずれか1項に記載の光化学反応システム。 The photochemical reaction system according to any one of claims 10 to 14, wherein the CO 2 reducing unit supplies the generated O 2 to a chemical process unit. 前記CO還元手段は、生成されたOを、発電所、鉄工所、化学工場、ごみ処理場、養殖場、下水処理場、または病院に供給することを特徴とする請求項10乃至請求項14のいずれか1項に記載の光化学反応システム。 The CO 2 reduction means, the generated O 2, power plants, ironworks, chemical plants, waste treatment plants, farms claims 10 to and supplying sewage treatment plant, or to the hospital 14. The photochemical reaction system according to any one of 14. 前記積層体における前記複数の開口部の面積率は40%以下であることを特徴とする請求項10乃至請求項16のいずれか1項に記載の光化学反応システム。   The photochemical reaction system according to any one of claims 10 to 16, wherein an area ratio of the plurality of openings in the stacked body is 40% or less.
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