JP7260791B2 - chemical reaction cell - Google Patents

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Description

本発明は、電気化学反応セルと光電変換素子とを備える化学反応セルに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a chemical reaction cell including an electrochemical reaction cell and a photoelectric conversion element.

太陽光エネルギーを用いて水(HO)から水素(H)を、水(HO)と二酸化炭素(CO)から一酸化炭素(CO)、ギ酸(HCOOH)などを合成する人工光合成は、CO排出量の低減と太陽エネルギーの貯蔵の両方の観点から研究が精力的に行われている(非特許文献1,2参照)。特に、光電荷分離素子と電気化学反応セルとを組み合わせる方式により、太陽光エネルギーから化学エネルギーへの変換効率(ηSTC)の高い値が実現されている(非特許文献3~7参照)。 Artificial synthesis of hydrogen (H 2 ) from water (H 2 O) using solar energy, and carbon monoxide (CO) and formic acid (HCOOH) from water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) Photosynthesis has been vigorously studied from the viewpoint of both reduction of CO 2 emissions and storage of solar energy (see Non-Patent Documents 1 and 2). In particular, a high conversion efficiency (η STC ) from solar energy to chemical energy has been achieved by combining a photocharge separation device and an electrochemical reaction cell (see Non-Patent Documents 3 to 7).

光電荷分離素子は、太陽光発電に用いられる太陽電池と基本構造は同じである。ただし、太陽電池は電力(電流と電圧の積)が最大となるように設計されるのに対して、人工光合成反応に用いられる光電荷分離素子には、反応に要する電圧のときの電流が最大となるような設計が求められる。HOを分解してHを生成する反応の閾値電圧は、1.23Vであり、COとHOからCO,HCOOHを生成する反応の閾値電圧は、それぞれ1.34V、1.43Vである。しかし、実際に反応を進行させるためには過電圧が必要であるため、電気化学反応セルの動作電圧は1.5~2V程度となる(非特許文献5~10参照)。この電圧を発生させるため、直列2接合素子または直列3接合素子等の直列多接合素子が用いられる。 A photoelectric charge separation device has the same basic structure as a solar cell used for photovoltaic power generation. However, while solar cells are designed to maximize power (the product of current and voltage), photocharge separation devices used in artificial photosynthesis have the maximum current at the voltage required for the reaction. A design that becomes The threshold voltage for the reaction that decomposes H 2 O to produce H 2 is 1.23 V, and the threshold voltage for the reaction that produces CO and HCOOH from CO 2 and H 2 O is 1.34 V and 1.34 V, respectively. 43V. However, since an overvoltage is necessary to actually advance the reaction, the operating voltage of the electrochemical reaction cell is about 1.5 to 2 V (see Non-Patent Documents 5 to 10). To generate this voltage, a series multi-junction device such as a series 2-junction device or a series 3-junction device is used.

これらの直列多接合素子には2つの問題点がある。1つは、太陽光スペクトルには1光子の励起によって必要な電圧が生じるような高エネルギーの光子が含まれるにもかかわらず、2光子または3光子の励起を経てキャリアが取り出されるので、高エネルギーの光子を有効利用できないことである。もう1つは、太陽光スペクトルが変動すると、サブセル間の電流整合が成り立たなくなるので、素子全体の電流が各サブセルの光電流のうちの最小値によって制限されることである。 There are two problems with these series multijunction devices. One is that carriers are extracted via two- or three-photon excitation, even though the solar spectrum contains high-energy photons such that single-photon excitation produces the required voltage. photons cannot be used effectively. The other is that current matching between subcells fails when the solar spectrum fluctuates, so the current through the entire device is limited by the minimum of the photocurrents in each subcell.

晴天時および曇天時の太陽光スペクトルが非特許文献14に示されており、これを図5(a)に示す。これらはつくば市(北緯36°、東経140°)にて、傾き角32°の南向き斜面への全天日射(直達光と散乱光の和)スペクトルが実測された結果である。スペクトルの違いを特徴づけるために、各スペクトルを1020~1040nmの平均値により規格化した結果が図5(b)である。実測値を基準スペクトルであるAM(エアマス)1.5Gと比べると、明らかな違いがみられる(非特許文献15参照)。AM(エアマス)値が小さいと短波長成分の大気による吸収が小さいので、AM(エアマス)1.03での測定値であるFine-1スペクトルでは700nm以下(光子エネルギー1.8eV以上)の短波長成分が相対的に強いのに対し、AM(エアマス)6.7のときに測定されたFine-2は逆の傾向にある。一方、曇天時の測定値であるOC-1,OC-2の場合には、雲による散乱が生じるので、相対的に短波長成分が強くなる(非特許文献16参照)。ただし、波長700~1700nm(光子エネルギー1.8~0.7eV)の規格化スペクトルはあまり変わらない。 Sunlight spectra under clear and cloudy weather are shown in Non-Patent Document 14 and are shown in FIG. 5(a). These are the results of actual measurement of the total solar radiation spectrum (sum of direct light and scattered light) on a south facing slope with an inclination angle of 32 degrees in Tsukuba City (36 degrees north latitude, 140 degrees east longitude). FIG. 5(b) shows the result of normalizing each spectrum by the average value from 1020 to 1040 nm in order to characterize the difference in spectrum. Comparing the measured value with AM (air mass) 1.5G, which is the reference spectrum, a clear difference is observed (see Non-Patent Document 15). If the AM (air mass) value is small, the absorption of short wavelength components by the atmosphere is small. While the components are relatively strong, Fine-2 measured at AM (air mass) 6.7 shows the opposite trend. On the other hand, in the case of OC-1 and OC-2, which are the measured values under cloudy weather, the short wavelength components are relatively strong due to scattering by clouds (see Non-Patent Document 16). However, the normalized spectrum at wavelengths 700-1700 nm (photon energy 1.8-0.7 eV) does not change much.

先に述べた多接合光電荷分離素子の2つの問題点は、以下の通りである。多接合素子を構成する各サブセルが直列接続される場合は、各サブセルに生じる光電流がおおよそ一致するように、すなわち電流が整合するようにバンドギャップが調整される。したがって、AM1.5Gの条件にて設計された直列多接合素子を、小さいエアマス、または曇天時に用いると、電流整合が破れるので、相対的に大きいトップセルの光電流の一部しか取り出すことができない。逆に、エアマスが大きい場合には、相対的に小さいトップセルの光電流が素子の電流を制限する。もう1つの問題点は、高エネルギーの光子は、1光子で反応に必要な電圧を発生することができるにもかかわらずトップセル内でキャリアを励起するだけであるので、有効利用されないことである。電流取り出しのためにはミドルセル、ボトムセル内でもキャリア励起が必要であるから、結局、トップセルにて吸収される光子のエネルギーにかかわらず、キャリア取り出しのためには2つ(2接合)または3つ(3接合)の光子が吸収される。 Two problems with the multi-junction photocharge separation device described above are as follows. When subcells constituting a multi-junction device are connected in series, the bandgaps are adjusted so that the photocurrents generated in the subcells are approximately the same, that is, the currents are matched. Therefore, if a series multi-junction device designed for AM1.5G conditions is used with a small air mass or in cloudy weather, current matching will be broken, and only a portion of the relatively large top-cell photocurrent can be extracted. . Conversely, if the air mass is large, the relatively small top cell photocurrent limits the device current. Another problem is that high-energy photons are not effectively used because they only excite carriers in the top cell, even though one photon can generate the voltage required for the reaction. . Since carrier excitation is necessary in the middle cell and the bottom cell for current extraction, in the end, regardless of the photon energy absorbed in the top cell, two (two junctions) or three junctions are required for carrier extraction. (3-junction) photons are absorbed.

J. H. Kim, D. Hansora, P. Sharma, J.-W. Jang, and J. S. Lee, Chem. Soc. Rev. 48, 1908 (2019).J. H. Kim, D. Hansora, P. Sharma, J.-W. Jang, and J. S. Lee, Chem. Soc. Rev. 48, 1908 (2019). J. Wu, Y. Huang, W. Ye, and Y. Li, Adv. Sci. 4, 1700194 (2017).J. Wu, Y. Huang, W. Ye, and Y. Li, Adv. Sci. 4, 1700194 (2017). O. Khaselev and J. A. Turner, Science 280, 425 (1998).O. Khaselev and J.A. Turner, Science 280, 425 (1998). S. Y. Reece, J. A. Hamel, K. Sung, T. D. Jarvi, A. J. Esswein, J. J. H. Pijpers, and D. G. Nocera, Science 334, 645 (2011).S. Y. Reece, J. A. Hamel, K. Sung, T. D. Jarvi, A. J. Esswein, J. J. H. Pijpers, and D. G. Nocera, Science 334, 645 (2011). M. Schreier, L. Curvat, F. Giordano, L. Steier, A. Abate, S. M. Zakeeruddin, J. Luo, M. T. Mayer, and M. Gratzel, Nat. Commun. 6, 736 (2015).M. Schreier, L. Curvat, F. Giordano, L. Steier, A. Abate, S. M. Zakeeruddin, J. Luo, M. T. Mayer, and M. Gratzel, Nat. Commun. 6, 736 (2015). S. Sato, T. Arai, and T. Morikawa, Nanotechnol. 29, 034001 (2018).S. Sato, T. Arai, and T. Morikawa, Nanotechnol. 29, 034001 (2018). H. Park, I. J. Park, M. G. Lee, K. C. Kwon, S.-P. Hong, D. H. Kim, S. A. Lee, T. H. Lee, C. Kim, C. W. Moon, D.-Y. Son, G. H. Jung, H. S. Yang, J. R. Lee, J. Lee, N.-G. Park, S. Y. Kim, J. Y. Kim, and H. W. Jang, ACS Appl. Mater. Interfaces 11, 33835-33843 (2019).参考文献H. Park, I. J. Park, M. G. Lee, K. C. Kwon, S.-P. Hong, D. H. Kim, S. A. Lee, T. H. Lee, C. Kim, C. W. Moon, D.-Y. Son, G. H. Jung, H. S. Yang, J. R. Lee, J. Lee, N.-G. Park, S. Y. Kim, J. Y. Kim, and H. W. Jang, ACS Appl. Mater. Interfaces 11, 33835-33843 (2019).References M. A. Ghausi, J. Xie, Q. Li, X. Wang, R. Yang, M. Wu, Y. Wang, and L. Dai, Angew. Chem. Int. Ed. 57, 13135 (2018).M. A. Ghausi, J. Xie, Q. Li, X. Wang, R. Yang, M. Wu, Y. Wang, and L. Dai, Angew. Chem. Int. Ed. 57, 13135 (2018). M. A. Z. G. Sial, S. Baskaran, A. Jalild, S. H. Talib, H. Lin, Y. Yao, Q. Zhang, H. Qian, J. Zou, and X. Zeng, Int. J. Hydrogen Energy 44, 22991 (2019).M. A. Z. G. Sial, S. Baskaran, A. Jalild, S. H. Talib, H. Lin, Y. Yao, Q. Zhang, H. Qian, J. Zou, and X. Zeng, Int. J. Hydrogen Energy 44, 22991 (2019) ). S. Wen, T. Yang, N. Zhao, L. Ma, and E. Liu, Appl. Catal. B: Environ. 258, 117953 (2019).S. Wen, T. Yang, N. Zhao, L. Ma, and E. Liu, Appl. Catal. B: Environ. 258, 117953 (2019). T. Trupke and P. Wurfel, J. Appl. Phys. 96, 2347 (2004).T. Trupke and P. Wurfel, J. Appl. Phys. 96, 2347 (2004). Y. Ahn, Y.-H. Kim, and S.-I. Kim, IEEE J. Photovolt. 3, 1403 (2013).Y. Ahn, Y.-H. Kim, and S.-I. Kim, IEEE J. Photovolt. 3, 1403 (2013). F. Guo, N. Li, F. W. Fecher, N. Gasparini, C. O. R. Quiroz, C. Bronnbauer, Y. Hou, V. V. Radmilovic, V. R. Radmilovic, E. Spiecker, K. Forberich, and C. J. Brabec, Nat. Commun. 6, 7730 (2015).F. Guo, N. Li, F. W. Fecher, N. Gasparini, C. O. R. Quiroz, C. Bronnbauer, Y. Hou, V. V. Radmilovic, V. R. Radmilovic, E. Spiecker, K. Forberich, and C. J. Brabec, Nat. 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Wang, N. Kojima, Y. Ohshita, and M. Yamaguchi, Prog. Photovolt.: Res. Appl. 24, 1310 (2016). P. Wurfel, J. Phys. C: Solid State Phys. 15, 3967 (1982).P. Wurfel, J. Phys. C: Solid State Phys. 15, 3967 (1982). M. Yamaguch, K.-H. Lee, K. Araki, N. Kojima, H. Yamada, and Y. Katsumata, Prog. Photolt.: Res. Appl. 26, 543 (2018).M. Yamaguch, K.-H. Lee, K. Araki, N. Kojima, H. Yamada, and Y. Katsumata, Prog. Photolt.: Res. Appl. 26, 543 (2018). M. Nakamura, K. Yamaguchi, Y. Kimoto, Y. Yasaki, T. Kato, and H. Sugimoto, IEEE J. Photovolt. 9, 1863 (2019).M. Nakamura, K. Yamaguchi, Y. Kimoto, Y. Yasaki, T. Kato, and H. Sugimoto, IEEE J. Photovolt. 9, 1863 (2019). E. H. Jung, N. J. Jeon, E. Y. Park, C. S. Moon, T. J. Shin, T.-Y. Yang, J. H. Noh, and J. Seo, Nature 567, 511 (2019).E. H. Jung, N. J. Jeon, E. Y. Park, C. S. Moon, T. J. Shin, T.-Y. Yang, J. H. Noh, and J. Seo, Nature 567, 511 (2019). A. Luque and A. Marti, Phys. Rev. Lett. 78, 5014 (1997).A. Luque and A. Marti, Phys. Rev. Lett. 78, 5014 (1997). Y. Okada, N. J. Ekins-Daukes, T. Kita, R. Tamaki, M. Yoshida, A. Pusch, O. Hess, C. C. Phillips, D. J. Farrell, K. Yoshida, N. Ahsan, Y. Shoji, T. Sogabe, and J.-F. Guillemoles, Appl. Phys. Rev. 2, 021302 (2015).Y. Okada, N. J. Ekins-Daukes, T. Kita, R. Tamaki, M. Yoshida, A. Pusch, O. Hess, C. C. Phillips, D. J. Farrell, K. Yoshida, N. Ahsan, Y. Shoji, T. Sogabe Phys. Rev. 2, 021302 (2015). S. Naitoh and Y. Okada, J. Solar Energy Eng. 137, 034504 (2015).S. Naitoh and Y. Okada, J. Solar Energy Eng. 137, 034504 (2015). J. L. Young, M. A. Steiner, H. Doscher, R. M. France, J. A. Turner, and T. G. Deutsch, Nat. Energy 2, 17028 (2017).J. L. Young, M. A. Steiner, H. Doscher, R. M. France, J. A. Turner, and T. G. Deutsch, Nat. Energy 2, 17028 (2017). S. P. Philipps, F. Dimroth, and A. W. Bett, “High-efficiency III・V multijunction solar cells,” in McEvoy's Handbook of Photovoltaics, Third Edition, edited by S. A. Kalogirou (Academic Press, 2017) Chap. I-4-B.S. P. Philipps, F. Dimroth, and A. W. Bett, “High-efficiency III・V multijunction solar cells,” in McEvoy's Handbook of Photovoltaics, Third Edition, edited by S. A. Kalogirou (Academic Press, 2017) Chap. I-4-B. T. K. Todorov, D. M. Bishop, and Y. S. Lee, Solar Energy Mater. Solar Cells 180, 350 (2018).T. K. Todorov, D. M. Bishop, and Y. S. Lee, Solar Energy Mater. Solar Cells 180, 350 (2018). T. C.-J. Yang, P. Fiala, Q. Jeangros, and C. Ballif, Joule 2, 1421 (2018).T. C.-J. Yang, P. Fiala, Q. Jeangros, and C. Ballif, Joule 2, 1421 (2018). Z. Song, C. Chen, C. Li, R. A. Awni, D. Zhao, and Y. Yan, Semicond. Sci. Technol. 34, 093001 (2019).Z. Song, C. Chen, C. Li, R. A. Awni, D. Zhao, and Y. Yan, Semicond. Sci. Technol. 34, 093001 (2019). J. Werner, F. Sahli, F. Fu, J. J. Diaz Leon, A. Walter, B. A. Kamino, B. Niesen, S. Nicolay, Q. Jeangros and C. Ballif, ACS Energy Lett. 3, 2052 (2018).J. Werner, F. Sahli, F. Fu, J. J. Diaz Leon, A. Walter, B. A. Kamino, B. Niesen, S. Nicolay, Q. Jeangros and C. Ballif, ACS Energy Lett. 3, 2052 (2018). X. Huang, H. Fu, H. Chen, X. Zhang, Z. Lu, J. Montes, M. Iza, S. P. DenBaars, S. Nakamura, and Y. Zhao, Appl. Phys. Lett. 110, 161105 (2017).X. Huang, H. Fu, H. Chen, X. Zhang, Z. Lu, J. Montes, M. Iza, S. P. DenBaars, S. Nakamura, and Y. Zhao, Appl. Phys. Lett. 110, 161105 ( 2017). J. Bai, Y. P. Gong, Z. Li, Y. Zhang, and T. Wang, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 175, 47 (2018).J. Bai, Y. P. Gong, Z. Li, Y. Zhang, and T. Wang, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 175, 47 (2018). T. Feurer, P. Reinhard, E. Avancini, B. Bissig, J. Lockinger, P. Fuchs, R. Carron, T. P. Weiss, J. Perrenoud, S. Stutterheim, S. Buecheler, and A. N. Tiwari, Prog. Photovolt.: Res. Appl. 25, 645 (2017).T. Feurer, P. Reinhard, E. Avancini, B. Bissig, J. Lockinger, P. Fuchs, R. Carron, T. P. Weiss, J. Perrenoud, S. Stutterheim, S. Buecheler, and A. N. Tiwari, Prog. Photovolt .: Res. Appl. 25, 645 (2017).

本発明の目的は、太陽光エネルギーから化学エネルギーへの変換効率を向上することができる、電気化学反応セルと光電変換素子とを備える化学反応セルを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a chemical reaction cell including an electrochemical reaction cell and a photoelectric conversion element capable of improving conversion efficiency from solar energy to chemical energy.

本発明は、電気化学反応セルと光電変換素子とを備える化学反応セルであって、前記電気化学反応セルの動作電圧(Vop)は、1.4~2.2Vの範囲であり、前記光電変換素子は、直列接続されたミドル/ボトムセルがトップセルと並列接続された、直列/並列3接合素子であり、前記トップセルの光吸収材料のバンドギャップ(ε (t))は、1.11×Vop+0.21~1.11×Vop+0.56eVの範囲でかつ2.0~2.9eVの範囲であり、前記ミドルセルの光吸収材料のバンドギャップ(ε (m))は、0.55×Vop+0.60~0.59×Vop+0.72eVの範囲であり、前記ボトムセルの光吸収材料のバンドギャップ(ε (b))は、0.53×Vop+0.088~0.56×Vop+0.21eVの範囲であり、ε (m)+ε (b)の最小値は、1.09×Vop+0.74eVであり、AM1.5G太陽光スペクトルを照射したときの下記式(1)で表される前記ミドルセルの吸収光子数N(m)の下記式(2)で表される前記ボトムセルの吸収光子数N(b)に対する比N(m)/N(b)は、0.5~1.4の範囲にある、化学反応セルである。

Figure 0007260791000001
(1)
Figure 0007260791000002
(2)
(ここで、
Figure 0007260791000003
は、太陽光の光子数スペクトルである。) The present invention is a chemical reaction cell comprising an electrochemical reaction cell and a photoelectric conversion element, wherein an operating voltage (V op ) of the electrochemical reaction cell is in the range of 1.4 to 2.2 V, and the photoelectric conversion element is The conversion element is a series/parallel three-junction element in which a series-connected middle/bottom cell is connected in parallel with a top cell, and the bandgap (ε g (t) ) of the light-absorbing material of the top cell is 1. 11×V op +0.21 to 1.11×V op +0.56 eV and 2.0 to 2.9 eV , and the band gap (ε g (m) ) of the light absorbing material of the middle cell is , 0.55×V op +0.60 to 0.59×V op +0.72 eV, and the bandgap (ε g (b) ) of the light absorbing material of the bottom cell is 0.53×V op +0 .088 to 0.56*V op +0.21 eV and the minimum value of ε g (m) + ε g (b) is 1.09*V op +0.74 eV, the AM1.5G solar spectrum The ratio N (m) of the number of absorbed photons N (m) of the middle cell represented by the following formula (1) to the number of absorbed photons N (b) of the bottom cell represented by the following formula (2 ) when irradiated with /N (b) is the chemical reaction cell, which ranges from 0.5 to 1.4.
Figure 0007260791000001
(1)
Figure 0007260791000002
(2)
(here,
Figure 0007260791000003
is the photon number spectrum of sunlight. )

前記化学反応セルにおいて、前記前記ε (t) は、1.09×V op +0.49eVであり、前記ε (m) は、0.57×V op +0.63eVであり、前記ε (b) は、0.55×V op +0.18eVであることが好ましい。 In the chemical reaction cell, the ε g (t) is 1.09×V op +0.49 eV, the ε g (m) is 0.57×V op +0.63 eV, and the ε g (b) is preferably 0.55×V op +0.18 eV .

本発明は、電気化学反応セルと光電変換素子とを備える化学反応セルであって、前記電気化学反応セルの動作電圧(Vop)は、1.55Vであり、前記光電変換素子は、直列接続されたミドル/ボトムセルがトップセルと並列接続された、直列/並列3接合素子であり、前記トップセルの光吸収材料のバンドギャップ(ε (t))は、2.17eVであり、前記ミドルセルの光吸収材料のバンドギャップ(ε (m))は、1.51eVであり、前記ボトムセルの光吸収材料のバンドギャップ(ε (b))は、1.02eVであり、AM1.5G太陽光スペクトルを照射したときの上記式(1)で表される前記ミドルセルの吸収光子数N(m)の上記式(2)で表される前記ボトムセルの吸収光子数N(b)に対する比N(m)/N(b)は、0.2~2.5の範囲にあり、前記電気化学反応セルは、H OからH とO を生成するセルである、化学反応セルである。 The present invention is a chemical reaction cell comprising an electrochemical reaction cell and a photoelectric conversion element, wherein an operating voltage (V op ) of the electrochemical reaction cell is 1.55 V, and the photoelectric conversion elements are connected in series. a series/parallel three-junction device in which a combined middle/bottom cell is connected in parallel with a top cell, the band gap (ε g (t) ) of the light absorbing material of the top cell is 2.17 eV; The bandgap (ε g (m) ) of the light absorbing material in the bottom cell is 1.51 eV, the bandgap (ε g (b) ) of the light absorbing material in the bottom cell is 1.02 eV, and the AM1.5G solar The ratio of the number of absorbed photons N (m ) of the middle cell represented by the above formula (1) to the number of absorbed photons N (b) of the bottom cell represented by the above formula (2) when a light spectrum is irradiated N ( m) /N (b) is in the range of 0.2 to 2.5, and the electrochemical reaction cell is a cell that produces H 2 and O 2 from H 2 O. be.

前記化学反応セルにおいて、前記電気化学反応セルは、HOからHとOを生成するセルであることが好ましい。 In the chemical reaction cell, the electrochemical reaction cell is preferably a cell that produces H2 and O2 from H2O .

前記化学反応セルにおいて、前記電気化学反応セルは、COを還元するセルであることが好ましい。 In the chemical reaction cell, the electrochemical reaction cell is preferably a cell that reduces CO2 .

前記化学反応セルにおいて、前記電気化学反応セルは、COとHOからCOまたはHCOOHを生成するセルであることが好ましい。 In the chemical reaction cell, the electrochemical reaction cell is preferably a cell that produces CO or HCOOH from CO2 and H2O .

本発明により、太陽光エネルギーから化学エネルギーへの変換効率を向上することができる、電気化学反応セルと光電変換素子とを備える化学反応セルを提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a chemical reaction cell including an electrochemical reaction cell and a photoelectric conversion element capable of improving conversion efficiency from solar energy to chemical energy.

本発明の実施の形態に係る対向型の化学反応セルの一例の概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of an example of a facing-type chemical reaction cell according to an embodiment of the present invention; FIG. 本発明の実施の形態に係る一体型の化学反応セルの一例の概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of an example of an integrated chemical reaction cell according to an embodiment of the present invention; FIG. 本発明の実施の形態に係る相互貫入電極を用いた一体型の化学反応セルの一例の概略構成を示す図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows schematic structure of an example of the integrated chemical reaction cell using the interpenetrating electrode which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る化学反応セルにおける直列/並列3接合光電荷分離素子の一例の概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of an example of a series/parallel triple-junction photoelectric charge separation device in a chemical reaction cell according to an embodiment of the present invention; FIG. (a)全天日射スペクトルを示し、つくば市における実測値が基準スペクトルであるAM1.5G 1 sun(100mW/cm)と比較されている(非特許文献14,15参照)。Fine-1(晴天)は、2015年6月14日11:40(日射強度92.6mW/cm、エアマス1.03)、Fine-2(晴天)は、2015年12月29日15:40(44.0mW/cm、エアマス6.7)、OC-1(曇天)は、2015年9月21日11:20(35.2mW/cm、エアマス1.22)、OC-2(曇天)は、2015年9月21日11:10(37.6mW/cm、エアマス1.22)のスペクトルである。(b)各スペクトルを1020~1040nmの平均値により規格化した結果である。いずれも非特許文献14より引用。(a) Shows the global solar radiation spectrum, and the measured value in Tsukuba City is compared with the reference spectrum AM1.5G 1 sun (100 mW/cm 2 ) (see Non-Patent Documents 14 and 15). Fine-1 (clear weather) June 14, 2015 at 11:40 (solar intensity 92.6 mW/cm 2 , air mass 1.03) Fine-2 (clear weather) December 29, 2015 at 15:40 (44.0 mW/cm 2 , air mass 6.7), OC-1 (cloudy) at 11:20 on September 21, 2015 (35.2 mW/cm 2 , air mass 1.22), OC-2 (cloudy) ) is the spectrum on Sep. 21, 2015 at 11:10 (37.6 mW/cm 2 , air mass 1.22). (b) The result of normalizing each spectrum by the average value of 1020 to 1040 nm. Both are cited from Non-Patent Document 14. 太陽光エネルギーからHの化学エネルギーへの変換効率(ηSTC)を示すグラフである。Fine-1,Fine-2(晴天)およびOC-1,OC-2(曇天)は、それぞれ図5にスペクトル強度が示される太陽光を照射したときの値である。各素子のサブセルのバンドギャップは、Vop=1.55V、AM1.5G 1 sun照射の条件下で最適化された。Fig. 4 is a graph showing the conversion efficiency (η STC ) of solar energy to chemical energy of H2 ; Fine-1, Fine-2 (clear weather) and OC-1, OC-2 (cloudy weather) are values obtained when sunlight, whose spectral intensity is shown in FIG. 5, is irradiated. The subcell bandgap of each device was optimized under the conditions of V op =1.55 V, AM1.5G 1 sun illumination. (a)~(e)直列/並列3接合(S/P-3J)、直列2接合(S-2J)、直列3接合(S-3J)の各光電荷分離素子の動作電流J(Vop)を示すグラフである。各素子のサブセルのバンドギャップは、動作電圧Vop毎にAM1.5G 1 sun照射の条件下で最適化された。(f)最適化された直列/並列3接合素子の各サブセルのバンドギャップを示すグラフである。(a) to (e) Operating current J (V op ) is a graph. The sub-cell bandgap of each device was optimized under the condition of AM1.5G 1 sun illumination for each operating voltage V op . (f) Graph showing the bandgap of each subcell of the optimized series/parallel three-junction device. 生成用光電変換素子における、(a)ミドルセルとボトムセルの電流整合の影響を示すグラフであり、(b)トップセルとミドル/ボトム直列接続の電圧整合の影響を示すグラフである。Vop=1.55Vである。2 is a graph showing (a) the effect of current matching between a middle cell and a bottom cell, and (b) the effect of voltage matching between a top cell and a middle/bottom series connection in a photoelectric conversion device for H 2 generation. V op =1.55V.

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。 An embodiment of the present invention will be described below. This embodiment is an example of implementing the present invention, and the present invention is not limited to this embodiment.

本発明の実施の形態に係る化学反応セルは、電気化学反応セルと光電変換素子とを備える化学反応セルであって、電気化学反応セルの動作電圧は、1.4~2.2Vの範囲であり、光電変換素子は、直列接続されたミドル/ボトムセルがトップセルと並列接続された、直列/並列3接合素子であり、トップセルの光吸収材料のバンドギャップ(ε (t))は、2.0~2.9eVの範囲であり、ミドルセルの光吸収材料のバンドギャップ(ε (m))とボトムセルの光吸収材料のバンドギャップ(ε (b))との和ε (m)+ε (b)は、ε (t)よりも0.25~1.1eV大きく、AM1.5G太陽光スペクトルを照射したときの下記式(1)で表されるミドルセルの吸収光子数N(m)の下記式(2)で表されるボトムセルの吸収光子数N(b)に対する比N(m)/N(b)は、0.2~2.5の範囲にある、化学反応セルである。

Figure 0007260791000004
Figure 0007260791000005
(ここで、
Figure 0007260791000006
は、太陽光の光子数スペクトルである。) A chemical reaction cell according to an embodiment of the present invention is a chemical reaction cell including an electrochemical reaction cell and a photoelectric conversion element, and the operating voltage of the electrochemical reaction cell is in the range of 1.4 to 2.2V. and the photoelectric conversion element is a series/parallel three-junction element in which a series-connected middle/bottom cell is connected in parallel with a top cell, and the bandgap (ε g (t) ) of the light-absorbing material of the top cell is It is in the range of 2.0 to 2.9 eV, and is the sum of the bandgap (ε g (m) ) of the light absorbing material in the middle cell and the bandgap (ε g (b) ) of the light absorbing material in the bottom cell, ε g (m )g (b) is 0.25 to 1.1 eV larger than ε g (t) , and the number of absorbed photons N of the middle cell represented by the following formula (1) when irradiated with the AM1.5G sunlight spectrum is The ratio N (m) / N (b) of (m) to the number of absorbed photons N ( b) of the bottom cell represented by the following formula (2) is in the range of 0.2 to 2.5. is.
Figure 0007260791000004
Figure 0007260791000005
(here,
Figure 0007260791000006
is the photon number spectrum of sunlight. )

ミドルセルの光吸収材料のバンドギャップ(ε (m))とボトムセルの光吸収材料のバンドギャップ(ε (b))との和ε (m)+ε (b)は、ε (t)よりも0.25~1.1eV大きく、ε (t)よりも0.25~0.6eV大きいことが好ましい。 The sum of the bandgap (ε g (m) ) of the light absorbing material in the middle cell and the bandgap (ε g (b) ) of the light absorbing material in the bottom cell, ε g (m) + ε g (b) , is ε g (t ) and 0.25 to 0.6 eV greater than ε g (t) .

AM1.5G太陽光スペクトルを照射したときのミドルセルの吸収光子数N(m)のボトムセルの吸収光子数N(b)に対する比N(m)/N(b)は、0.2~2.5の範囲にあり、0.5~1.4の範囲にあることが好ましい。 The ratio N (m ) /N (b) of the number of absorbed photons N (m) of the middle cell to the number of absorbed photons N (b) of the bottom cell when irradiated with the AM1.5G sunlight spectrum is 0.2 to 2.5. and preferably in the range of 0.5 to 1.4.

本実施形態に係る化学反応セルは、従来より用いられる直列2接合光電変換素子等を用いる場合に比べて、所定の動作電圧で、より大きい動作電流が得られる。その結果、太陽光エネルギーから化学エネルギーへの変換効率がより高くなる。本実施形態に係る化学反応セルは、晴天時以外、例えば曇天等においても大きい動作電流が得られる。 The chemical reaction cell according to the present embodiment can obtain a larger operating current at a predetermined operating voltage than in the case of using conventional serial two-junction photoelectric conversion elements or the like. As a result, the conversion efficiency of solar energy to chemical energy is higher. The chemical reaction cell according to the present embodiment can obtain a large operating current even in cloudy weather other than in fine weather.

直列接続されたミドル/ボトムセルがトップセルと並列接続された、直列/並列3接合素子である光電変換素子10は、例えば図4に示すように、相対的に強度変動の大きい高エネルギー光のみを吸収するワイドギャップのトップセル30を設け、これと、ミドルセル32/ボトムセル34の直列2接合とが並列に接続されたものである(非特許文献11~13参照)。中~低エネルギーの規格化スペクトルはあまり変化しないので、ミドルセル/ボトムセル間の電流整合はおおよそ維持される。他方、トップセルとミドルセル/ボトムセルの間には電流整合は不要となる。さらに、トップセルにて生じたキャリアはミドル/ボトムセルを経ずに取り出されるので、高エネルギー光子の有効利用も可能となる。トップセルとミドルセル/ボトムセルの間の電圧整合が新たな制約条件となる。この条件は太陽光スペクトルにほとんど依存しない。 The photoelectric conversion element 10, which is a series/parallel three-junction element in which a middle/bottom cell connected in series and a top cell are connected in parallel, emits only high-energy light with relatively large intensity fluctuations, as shown in FIG. A wide-gap top cell 30 for absorption is provided, and this is connected in parallel with two series junctions of a middle cell 32/bottom cell 34 (see Non-Patent Documents 11 to 13). Current matching between the middle/bottom cells is roughly maintained since the normalized spectrum for mid-to-low energies does not change much. On the other hand, no current matching is required between the top and middle/bottom cells. Furthermore, since the carriers generated in the top cell are taken out without passing through the middle/bottom cells, effective utilization of high-energy photons is also possible. Voltage matching between top and middle/bottom cells becomes a new constraint. This condition is almost independent of the solar spectrum.

直列/並列3接合光電荷分離素子を構成するための材料としては、H生成の電気化学反応セルをVop=1.55Vで動作させるためのものとして、ボトムセルにはCIGS系材料(非特許文献22,29参照)、結晶シリコン等、トップ/ミドルセルには有機無機ハイブリッドペロブスカイト等が挙げられる。CO還元の電気化学セルをVop=2.0Vで動作させるためのものとして、ミドル/ボトムセルには、有機無機ハイブリッドペロブスカイトまたはCIGS系材料等、トップセルにはInGaN系多重量子井戸等が挙げられる。CIGS系材料としては、例えば、CuIn1-xGaSe等が挙げられる。電子、正孔の再結合を抑制し、それぞれが速やかに陰極、陽極にまで移動するよう、CuIn1-xGaSe層の厚さ方向に、組成xの変化が設けられることが多い。この際、xの範囲は、例えば、0.18~0.43に設定されればよい(非特許文献35参照)。有機無機ハイブリッドペロブスカイトとしては、例えば、(FAPbI0.95(MAPbBr0.05の組成(FA:formamidinium、MA:methylammonium)を有するもの等が挙げられる(非特許文献23参照)。InGaN系材料としては、例えば、In0.2Ga0.8N(6nm)/GaN(10nm)多重量子井戸等が挙げられる(非特許文献33参照)。 As materials for constructing a series/ parallel three-junction photocharge separation device, a CIGS-based material (non-patented References 22 and 29), crystalline silicon, etc., and organic-inorganic hybrid perovskites, etc., for top/middle cells. The electrochemical cell for CO2 reduction was set to Vop=2. For operation at 0V , organic-inorganic hybrid perovskite or CIGS-based materials are used for middle/bottom cells, and InGaN-based multiple quantum wells are used for top cells. Examples of CIGS-based materials include CuIn 1-x Ga x Se 2 and the like. In order to suppress the recombination of electrons and holes and to move them to the cathode and anode quickly, the composition x is often varied in the thickness direction of the CuIn 1-x Ga x Se 2 layer. At this time, the range of x may be set to, for example, 0.18 to 0.43 (see Non-Patent Document 35). Organic-inorganic hybrid perovskites include, for example, those having a composition (FA: formamidinium, MA: methylammonium) of (FAPbI 3 ) 0.95 (MAPbBr 3 ) 0.05 (see Non-Patent Document 23). Examples of InGaN-based materials include In 0.2 Ga 0.8 N (6 nm)/GaN (10 nm) multiple quantum wells (see Non-Patent Document 33).

本実施形態に係る化学反応セルの構成は、上記電気化学反応セルと上記光電変換素子とを備えるものであればよく、特に限定されない。 The configuration of the chemical reaction cell according to this embodiment is not particularly limited as long as it includes the electrochemical reaction cell and the photoelectric conversion element.

本実施形態に係る化学反応セルは、例えば、図1に示すように、収容部18内に正極(アノード電極)12と負極(カソード電極)14とを対向させた間の流路16に電解液を満たした電気化学反応セルと、負極(カソード電極)14に隣接して配置した直列/並列3接合素子である光電変換素子10とを電気配線も含めてパッケージ化した対向型の化学反応セル1である。本実施形態に係る化学反応セルは、例えば、図2に示すように、直列/並列3接合素子である光電変換素子10の両面にそれぞれ正極(アノード電極)12、負極(カソード電極)14を備える一体型の化学反応セル3とし、容器内の電解液に浸漬して用いられる方式としてもよい。また、本実施形態に係る化学反応セルは、例えば、図3に示すように、光電変換素子10の片面に正極(アノード電極)12と負極(カソード電極)14との相互貫入電極を設けて、それが容器20内の電解液(水)中あるいは電解液(水)面(例えば、セルが電解液(水)面に浮かんでいて、光電変換素子10は電解液(水)に浸漬されていないが、正極(アノード電極)12と負極(カソード電極)14は電解液(水)に接している。)にある化学反応セル5としてもよい。 In the chemical reaction cell according to the present embodiment, for example, as shown in FIG. and a photoelectric conversion element 10, which is a series/parallel three-junction element arranged adjacent to a negative electrode (cathode electrode) 14, packaged together with electrical wiring. is. For example, as shown in FIG. 2, the chemical reaction cell according to this embodiment includes a positive electrode (anode electrode) 12 and a negative electrode (cathode electrode) 14 on both sides of a photoelectric conversion element 10, which is a series/parallel three-junction element. An integrated chemical reaction cell 3 may be used by immersing it in the electrolytic solution in the container. Further, in the chemical reaction cell according to the present embodiment, for example, as shown in FIG. It is in the electrolyte (water) in the container 20 or on the electrolyte (water) surface (for example, the cell is floating on the electrolyte (water) surface and the photoelectric conversion element 10 is not immersed in the electrolyte (water)). However, the positive electrode (anode electrode) 12 and the negative electrode (cathode electrode) 14 are in contact with the electrolytic solution (water)).

図1の化学反応セル1を例に以下、説明する。化学反応セル1の電気化学反応セルは、例えば、収容部18内に例えば板状の部材である正極(アノード電極)12と負極(カソード電極)14とが離間されて対向する位置に配置され、アノード電極12とカソード電極14との間に、二酸化炭素等の反応基質を含む電解液が流れる流路16を有する。アノード電極12とカソード電極14には、電線等を介して光電変換素子10が接続される。 The chemical reaction cell 1 shown in FIG. 1 will be described below as an example. In the electrochemical reaction cell of the chemical reaction cell 1, for example, a positive electrode (anode electrode) 12 and a negative electrode (cathode electrode) 14, which are, for example, plate-shaped members, are arranged in a housing portion 18 at positions facing each other with a gap therebetween, Between the anode electrode 12 and the cathode electrode 14, there is provided a channel 16 through which an electrolytic solution containing a reaction substrate such as carbon dioxide flows. A photoelectric conversion element 10 is connected to the anode electrode 12 and the cathode electrode 14 via an electric wire or the like.

電気化学反応セルは、アノード電極12とカソード電極14との間の流路16に二酸化炭素等の反応基質を含む電解液が導入されることによって機能する。アノード電極12においては、例えば、水(HO)が酸化されて酸素(1/2O)が得られる。カソード電極14においては、例えば二酸化炭素が還元されてギ酸(HOOOH)等が生成される。 The electrochemical reaction cell functions by introducing an electrolytic solution containing a reaction substrate such as carbon dioxide into the channel 16 between the anode electrode 12 and the cathode electrode 14 . At the anode electrode 12, for example, water ( H2O ) is oxidized to obtain oxygen (1/ 2O2 ). At the cathode electrode 14, for example, carbon dioxide is reduced to produce formic acid (HOOOH) or the like.

還元反応用電極である負極(カソード電極)14は、還元反応によって物質を還元するために利用される電極である。カソード電極14は、例えば、基板上に順に形成される導電層および導電体層を含んで構成される。 A negative electrode (cathode electrode) 14, which is a reduction reaction electrode, is an electrode used for reducing a substance by a reduction reaction. The cathode electrode 14 includes, for example, a conductive layer and a conductive layer that are sequentially formed on the substrate.

基板は、電極を構造的に支持する部材である。基板は、特に材料が限定されるものではないが、例えば、ガラス基板等が挙げられる。基板は、例えば、金属または半導体を含むものとしてもよい。基板として用いられる金属は、特に限定されるものではないが、例えば、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、カドミウム(Cd)、スズ(Sn)、パラジウム(Pd)、鉛(Pb)等が挙げられる。基板として用いられる半導体は、特に限定されるものではないが、例えば、酸化チタン(TiO)、酸化スズ(SnO)、シリコン(Si)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タンタル(Ta)等が挙げられる。基板を金属または半導体を含むものとした場合、導電層および導電体層と基板との間には絶縁層を形成することが好ましい。絶縁層は、特に限定されるものではないが、半導体の酸化物、窒化物や樹脂等が挙げられる。金属基板と導電層および導電体層とが電気的に直接接続されている構成としてもよい。 The substrate is a member that structurally supports the electrodes. The material of the substrate is not particularly limited, but examples thereof include a glass substrate. The substrate may comprise, for example, metals or semiconductors. The metal used as the substrate is not particularly limited, but examples include silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), zinc (Zn), indium (In), cadmium (Cd), tin ( Sn), palladium (Pd), lead (Pb), and the like. The semiconductor used as the substrate is not particularly limited, but examples include titanium oxide (TiO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), silicon (Si), strontium titanate (SrTiO 3 ), and zinc oxide (ZnO). , tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), and the like. When the substrate contains a metal or semiconductor, it is preferable to form a conductive layer and an insulating layer between the conductive layer and the substrate. The insulating layer is not particularly limited, but examples thereof include semiconductor oxides, nitrides, and resins. A configuration in which the metal substrate, the conductive layer, and the conductive layer are electrically directly connected may be employed.

基板は、高比表面積を有する等の点から、カーボン材料を含んで構成されてもよい。カーボン材料は、特に限定されるものではないが、例えば、カーボンブラック、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンクロス、カーボンペーパー等が挙げられる。 The substrate may be configured to contain a carbon material in terms of having a high specific surface area. Examples of the carbon material include, but are not limited to, carbon black, graphene, fullerene, carbon nanotube, carbon cloth, carbon paper, and the like.

導電層は、カソード電極14における集電を効果的にするために設けられる。導電層は、特に限定されるものではないが、酸化インジウム錫(ITO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)、酸化亜鉛(ZnO)等の透明導電層等が挙げられる。特に、熱的および化学的な安定性を考慮すると、フッ素ドープ酸化錫(FTO)を用いることが好適である。 The conductive layer is provided to effectively collect current at the cathode electrode 14 . The conductive layer is not particularly limited, but examples thereof include transparent conductive layers such as indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), and zinc oxide (ZnO). In particular, considering thermal and chemical stability, it is preferable to use fluorine-doped tin oxide (FTO).

導電体層は、還元触媒機能を有する材料を含む導電体を含んで構成される。導電体は、カーボン材料(C)を含む材料を含んで構成することができる。カーボン材料の構造体の単体のサイズが1nm以上1μm以下であることが好適である。カーボン材料は、例えば、カーボンナノチューブ、グラフェンおよびグラファイトの少なくとも1つ等が挙げられる。グラフェンおよびグラファイトであればサイズが1nm以上1μm以下であることが好適である。カーボンナノチューブであれば直径が1nm以上40nm以下であることが好適である。導電体は、例えば、エタノール等の液体に混ぜ合わせたカーボン材料をスプレーで塗布し、加熱することによって形成することができる。スプレーの代わりに、スピンコートによって塗布してもよい。また、スピンコートを用いず、直接溶液を滴下して乾かして塗布してもよい。 The conductor layer includes a conductor containing a material having a reduction catalytic function. The conductor may comprise a material containing carbon material (C). It is preferable that the size of a single carbon material structure is 1 nm or more and 1 μm or less. Carbon materials include, for example, at least one of carbon nanotubes, graphene, and graphite. Graphene and graphite preferably have a size of 1 nm or more and 1 μm or less. Carbon nanotubes preferably have a diameter of 1 nm or more and 40 nm or less. The conductor can be formed, for example, by spraying and heating a carbon material mixed with a liquid such as ethanol. It may be applied by spin coating instead of spraying. Alternatively, the solution may be directly dropped and dried without using spin coating.

還元触媒機能を有する材料として、錯体触媒等を用いることができる。錯体触媒は、例えば、ルテニウム錯体とすることが好適である。錯体触媒は、例えば、[Ru{4,4’-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2’-bipyridine}(CO)(MeCN)Cl]、[Ru{4,4’-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2’-bipyridine}(CO)Cl]、[Ru{4,4’-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2’-bipyridine}(CO)、[Ru{4,4’-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2’-bipyridine}(CO)(CHCN)Cl]等が挙げられる。 A complex catalyst or the like can be used as the material having a reduction catalytic function. The complex catalyst is preferably a ruthenium complex, for example. Complex catalysts include, for example, [Ru{4,4′-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2′-bipyridine}(CO)(MeCN)Cl 2 ], [Ru{4,4′ -di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2'-bipyridine}(CO) 2Cl2 ], [Ru{ 4,4' -di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2, 2′-bipyridine}(CO) 2 ] n , [Ru{4,4′-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2′-bipyridine}(CO)(CH 3 CN)Cl 2 ] etc.

錯体触媒による修飾は、例えば、錯体をアセトニトリル(MeCN)溶液に溶解した液を導電体層の導電体の上に塗布することで作製することができる。また、錯体触媒による修飾は、電解重合法により行うこともできる。例えば、作用極として導電体を含む導電体層(支持基板があってもよい)、対極にフッ素含有酸化スズ(FTO)で被覆したガラス基板、参照電極にAg/Ag電極を用い、錯体触媒を含む電解液中においてAg/Ag電極に対して負電圧となるようにカソード電流を流した後、Ag/Ag電極に対して正電位となるようにアノード電流を流すことにより導電体層の導電体上を錯体触媒で修飾することができる。電解質の溶液には、例えば、アセトニトリル(MeCN)、電解質には、例えば、Tetrabutylammoniumperchlorate(TBAP)を用いることができる。 Modification with a complex catalyst can be produced, for example, by dissolving a complex in an acetonitrile (MeCN) solution and applying it on the conductor of the conductor layer. Modification with a complex catalyst can also be performed by an electropolymerization method. For example, a conductor layer containing a conductor as a working electrode (a support substrate may be provided), a glass substrate coated with fluorine-containing tin oxide (FTO) as a counter electrode, and an Ag/Ag + electrode as a reference electrode, a complex catalyst In an electrolytic solution containing can be modified with a complex catalyst on the conductor of For the electrolyte solution, for example, acetonitrile (MeCN) can be used, and for the electrolyte, for example, Tetrabutylammonium perchlorate (TBAP) can be used.

このように形成された導電体層は、カソード電極14を構成する導電層上に担持、塗布または貼付される。これにより、基板上に、順に導電層および導電体層を有するカソード電極14が形成される。 The conductive layer formed in this manner is carried, applied or adhered onto the conductive layer constituting the cathode electrode 14 . Thereby, a cathode electrode 14 having a conductive layer and a conductive layer in order is formed on the substrate.

酸化反応用電極である正極(アノード電極)12は、酸化反応によって物質を酸化するために利用される電極である。アノード電極12は、例えば、基板上に順に形成される導電層および酸化触媒層を含んで構成される。 A positive electrode (anode electrode) 12, which is an electrode for oxidation reaction, is an electrode used for oxidizing a substance by an oxidation reaction. The anode electrode 12 includes, for example, a conductive layer and an oxidation catalyst layer that are sequentially formed on a substrate.

基板は、電極を構造的に支持する部材である。基板は、カソード電極14に用いられる基板と同様の材料とすることができる。 The substrate is a member that structurally supports the electrodes. The substrate can be of the same material as the substrate used for cathode electrode 14 .

導電層は、アノード電極12における集電を効果的にするために設けられる。導電層は、特に限定されるものではないが、例えば、酸化インジウム錫(ITO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)、酸化亜鉛(ZnO)等が挙げられる。特に、熱的および化学的な安定性を考慮すると、フッ素ドープ酸化錫(FTO)を用いることが好適である。 The conductive layer is provided to effectively collect current at the anode electrode 12 . The conductive layer is not particularly limited, but examples thereof include indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), and zinc oxide (ZnO). In particular, considering thermal and chemical stability, it is preferable to use fluorine-doped tin oxide (FTO).

酸化触媒層は、酸化触媒機能を有する材料を含んで構成される。酸化触媒機能を有する材料は、例えば、酸化イリジウム(IrOx)を含む材料等が挙げられる。酸化イリジウムは、ナノコロイド溶液として導電層の表面上に担持することができる(T.Arai et.al, Energy Environ. Sci 8, 1998 (2015)参照)。 The oxidation catalyst layer includes a material having an oxidation catalyst function. Examples of materials having an oxidation catalytic function include materials containing iridium oxide (IrOx). Iridium oxide can be supported on the surface of the conductive layer as a nanocolloidal solution (see T.Arai et.al, Energy Environ. Sci 8, 1998 (2015)).

例えば、酸化イリジウム(IrOx)のナノコロイドを合成する。まず、2mMの塩化イリジウム酸(IV)カリウム(KIrCl)水溶液50mLに10wt%の水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液を加えてpH13に調整した黄色溶液を、ホットスターラを用いて90℃で20分加熱する。これによって得られた青色溶液を氷水で1時間冷却する。そして、冷やした溶液(20mL)に3M硝酸(HNO)を滴下してpH1に調整し、80分撹拌し、酸化イリジウム(IrOx)のナノコロイド水溶液を得る。さらに、この溶液に1.5wt%NaOH水溶液(1~2mL)を滴下してpH12に調整する。このようにして得られた酸化イリジウム(IrOx)のナノコロイド水溶液を、導電層上にpH12で塗布し、乾燥炉内において60℃で40分間保持して乾燥させる。乾燥後、析出した塩を超純水で洗浄し、アノード電極を形成することができる。なお、酸化イリジウム(IrOx)のナノコロイド水溶液の塗布および乾燥を複数回繰り返してもよい。 For example, iridium oxide (IrOx) nanocolloids are synthesized. First, a yellow solution adjusted to pH 13 by adding 10 wt% sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution to 50 mL of 2 mM potassium iridate (IV) chloride (K 2 IrCl 6 ) aqueous solution was stirred at 90° C. for 20 minutes using a hot stirrer. heat for 1 minute. The resulting blue solution is cooled with ice water for 1 hour. Then, 3M nitric acid (HNO 3 ) is added dropwise to the cooled solution (20 mL) to adjust the pH to 1, and the mixture is stirred for 80 minutes to obtain a nanocolloid aqueous solution of iridium oxide (IrOx). Furthermore, a 1.5 wt % NaOH aqueous solution (1 to 2 mL) is added dropwise to this solution to adjust the pH to 12. The nanocolloidal aqueous solution of iridium oxide (IrOx) obtained in this way is applied on the conductive layer at pH 12 and dried by being held at 60° C. for 40 minutes in a drying oven. After drying, the deposited salt can be washed with ultrapure water to form an anode electrode. Note that the application and drying of the iridium oxide (IrOx) nanocolloid aqueous solution may be repeated multiple times.

電解液に含まれる反応基質は、例えば、炭素化合物が挙げられ、例えば、二酸化炭素(CO)とすることができる。また、電解液は、リン酸緩衝水溶液やホウ酸緩衝水溶液とすることが好適である。具体的な構成例では、例えば、二酸化炭素(CO)飽和リン酸緩衝液のタンクを設け、ポンプによってこの溶液を負極と正極の表面に供給し、還元反応によって生じたギ酸(HCOOH)を外部の別のタンクに回収する。 The reaction substrate contained in the electrolytic solution includes, for example, carbon compounds, such as carbon dioxide (CO 2 ). Further, the electrolytic solution is preferably an aqueous phosphate buffer solution or an aqueous borate buffer solution. In a specific configuration example, for example, a tank of carbon dioxide (CO 2 )-saturated phosphate buffer solution is provided, this solution is supplied to the surfaces of the negative electrode and the positive electrode by a pump, and formic acid (HCOOH) generated by the reduction reaction is removed to the outside. collected in a separate tank.

収容部18は、アノード電極12およびカソード電極14を支持するとともに、電解液が流れる流路16を構成する部材である。収容部18は、電気化学反応セルをセルとして構成するために必要な機械的な強度を備える材料で構成される。例えば、収容部は、金属、プラスチック等によって構成することができる。 The housing portion 18 is a member that supports the anode electrode 12 and the cathode electrode 14 and constitutes the flow path 16 through which the electrolytic solution flows. The housing portion 18 is made of a material having mechanical strength required to construct the electrochemical reaction cell as a cell. For example, the housing can be made of metal, plastic, or the like.

アノード電極12とカソード電極14との間にセパレータを備えてもよい。セパレータは、液体と気体を分離し、プロトンを移動可能とする材料のものであればよく、特に制限はないが、例えば、固体高分子電解膜であるナフィオン(登録商標)等を使用することができる。 A separator may be provided between the anode electrode 12 and the cathode electrode 14 . The separator is not particularly limited as long as it is a material that separates a liquid and a gas and allows protons to move. can.

アノード電極12とカソード電極14との間に上記光電変換素子10を接続することによって適切なバイアス電圧を印加した状態とすればよい。バイアス電圧を印加する手段として上記光電変換素子10を用いることにより、電気化学反応セルと、電気化学反応セルのアノード電極12およびカソード電極14に供給される電力を生成する光電変換素子10と、を備える化学反応セルとすることができる。光電変換素子10は、例えば、電気化学反応セルのアノード電極12およびカソード電極14に隣接して配置することができる。例えば、図1に示すように、電気化学反応セルのカソード電極14の背面に光電変換素子10を配置し、光電変換素子10の正極をアノード電極12に接続し、光電変換素子10の負極をカソード電極14に接続すればよい。 By connecting the photoelectric conversion element 10 between the anode electrode 12 and the cathode electrode 14, an appropriate bias voltage is applied. By using the photoelectric conversion element 10 as means for applying a bias voltage, an electrochemical reaction cell and the photoelectric conversion element 10 for generating electric power to be supplied to the anode electrode 12 and the cathode electrode 14 of the electrochemical reaction cell. It can be a chemical reaction cell comprising: The photoelectric conversion element 10 can be arranged, for example, adjacent to the anode electrode 12 and the cathode electrode 14 of an electrochemical reaction cell. For example, as shown in FIG. 1, the photoelectric conversion element 10 is arranged behind the cathode electrode 14 of the electrochemical reaction cell, the positive electrode of the photoelectric conversion element 10 is connected to the anode electrode 12, and the negative electrode of the photoelectric conversion element 10 is connected to the cathode. It may be connected to the electrode 14 .

以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.

直列/並列光電荷分離素子の電流密度-電圧(J-V)特性をモデル化し、図5に示されるスペクトル強度の太陽光を照射したときの特性を計算する。さらに、このJ-V特性の結果を用いてηSTCを求め、直列2接合、3接合素子の場合と比較する。 The current density-voltage (JV) characteristics of the series/parallel photocharge separation device are modeled, and the characteristics are calculated when illuminated with sunlight having the spectral intensity shown in FIG. Furthermore, η STC is obtained using the result of this JV characteristic, and compared with the cases of series two-junction and three-junction devices.

定電流源、ダイオード、直列抵抗および並列抵抗の組み合わせからなる等価回路により表される単接合光電荷分離素子のJ-V特性は、光電流Jph、ダイオードの逆飽和電流J、直列抵抗R、および並列抵抗Rshを用いて以下のように表される(非特許文献17~19参照)。 The JV characteristics of a single-junction photocharge separation device represented by an equivalent circuit consisting of a combination of a constant current source, a diode, a series resistor, and a parallel resistor are: photocurrent J ph , diode inverse saturation current J 0 , series resistance R s and the parallel resistance R sh (see Non-Patent Documents 17 to 19).

Figure 0007260791000007
Figure 0007260791000007

q,k,Tはそれぞれ電荷素量、ボルツマン定数、素子の温度(300K)である。外部量子効率ηEQEが光子エネルギーによらない一定値であると近似すると、Jphは素子に用いられる光吸収材料のバンドギャップεと太陽光の光子数スペクトル

Figure 0007260791000008
により決まる。 q, k B , and T are elementary charge, Boltzmann's constant, and device temperature (300 K), respectively. When approximating the external quantum efficiency η EQE to be a constant value independent of photon energy, J ph is the bandgap ε g of the light absorbing material used in the device and the photon number spectrum of sunlight.
Figure 0007260791000008
determined by

Figure 0007260791000009
Figure 0007260791000009

輻射再結合速度を表す一般化されたプランクの法則と、外部発光効率ηEREを用い、ボルツマン近似を適用すると、J

Figure 0007260791000010
となる(非特許文献20参照)。 Using the generalized Planck's law for the radiative recombination rate, the external luminous efficiency η ERE , and applying the Boltzmann approximation, J 0 is
Figure 0007260791000010
(see Non-Patent Document 20).

直列/並列3接合光電荷分離素子のJ-V特性は、以下の連立方程式を解くことにより求められる。ただし、上付き文字が添えられたJ,Vはトップセル(t)、ミドルセル(m)、ボトムセル(b)の電流密度と電圧である。 The JV characteristics of the series/parallel three-junction photocharge separation device are obtained by solving the following simultaneous equations. However, the superscripted J and V are the current density and voltage of the top cell (t), middle cell (m) and bottom cell (b).

Figure 0007260791000011
Figure 0007260791000011

直列2接合素子のJ-V特性を表す連立方程式は以下の通りである。 The simultaneous equations representing the JV characteristics of a series two-junction device are as follows.

Figure 0007260791000012
Figure 0007260791000012

直列3接合素子の場合も同様にして求められる。 A series 3-junction element can also be found in the same way.

Figure 0007260791000013
Figure 0007260791000013

光電荷分離素子を電気化学反応セルと組み合わせてHなどを生成する際のηSTCは、発電効率と反応効率の積により表される。前者は動作電流J(Vop)と動作電圧Vopとの積と日射強度Psunの比である。後者は反応の閾値電圧VとVopの比にファラデー効率ηを掛けた値である(非特許文献1参照)。 η STC when a photocharge separation device is combined with an electrochemical reaction cell to generate H 2 or the like is expressed by the product of power generation efficiency and reaction efficiency. The former is the ratio of the product of the operating current J (V op ) and the operating voltage V op to the solar radiation intensity P sun . The latter is the ratio of the reaction threshold voltages V 0 and V op multiplied by the Faraday efficiency η F (see Non-Patent Document 1).

Figure 0007260791000014
Figure 0007260791000014

光電荷分離素子のJ-V特性を数値計算する際には、太陽電池の現状の値または開発の目標値であるηEQE=0.9,ηERE=0.01を用いた(非特許文献19,21参照)。Rshの影響は無視した。Rによる形状因子(FF)の低下が5%(相対値)に抑えられるよう、すなわち、FF=FF×0.95(FFはR=0のときの値)となるようにRの値を決めた。表1に示される通り、このモデルを用いた計算結果は、現状の最高効率を示すCu(In,Ga)Se(CIGS)単接合太陽電池の特性とおおよそ一致し、有機無機ハイブリッドペロブスカイト太陽電池の値を僅かに上回ることを確認した(非特許文献22,23参照)。 When numerically calculating the JV characteristics of the photocharge separation device, η EQE =0.9 and η ERE =0.01, which are the current values of solar cells or the target values for development, were used (see non-patent document 19, 21). The effect of Rsh was ignored. R so that the decrease in the form factor (FF) due to R s is suppressed to 5% (relative value), that is, FF = FF 0 × 0.95 (FF 0 is the value when R s = 0). determined the value of s . As shown in Table 1, the calculation results using this model roughly match the characteristics of the Cu(In, Ga)Se 2 (CIGS) single-junction solar cell, which exhibits the highest efficiency at present, and the organic-inorganic hybrid perovskite solar cell. was confirmed to slightly exceed the value of (see Non-Patent Documents 22 and 23).

表1は、CIGSおよびペロブスカイト単接合太陽電池の短絡電流密度(JSC)、開放端電圧(VOC)、形状因子(FF)、変換効率(η)、および直列抵抗(R)の計算結果と実測値の比較を示す(AM1.5G 1 sun照射)。 Table 1 shows the calculated and measured short-circuit current density (JSC), open-circuit voltage (VOC), form factor (FF), conversion efficiency (η), and series resistance (R s ) of CIGS and perovskite single-junction solar cells. Comparison of values is shown (AM1.5G 1 sun illumination).

Figure 0007260791000015
Figure 0007260791000015

このモデルを用いて、先ず、直列/並列3接合光電荷分離素子を用いてHを生成する変換効率ηSTCを求め、直列多接合素子の場合と比較する。電気化学反応セルの動作電流J(Vop)は、電極触媒の活性と動作電圧Vopに大きく依存する。後に示されるように、直列/並列3接合光電荷分離素子の短絡電流は、AM1.5G 1 sun光照射時には20mA/cm以上となる(図8(a)参照)。これに近い値の反応セルのJ(Vop)を得るためには、閾値電圧である1.23Vを超える過電圧の印加が必要である。Ni系電極触媒を用いたセルの実測値(1.44~1.49Vat10mA/cm)を考慮し(非特許文献9,10参照)、Vop=1.55V(過電圧0.32V)で動作させることを想定して、その際のJ(Vop)を計算した。さらにη=1に設定しηSTCを求めた。 Using this model, first, the conversion efficiency η STC for generating H 2 using a series/parallel three-junction photocharge separation device is obtained and compared with the case of a series multi-junction device. The operating current J(V op ) of the electrochemical reaction cell largely depends on the activity of the electrode catalyst and the operating voltage V op . As will be shown later, the short-circuit current of the series/parallel three-junction photocharge separation device is 20 mA/cm 2 or more when irradiated with AM1.5G 1 sun light (see FIG. 8(a)). In order to obtain J(V op ) of the reaction cell close to this value, it is necessary to apply an overvoltage exceeding the threshold voltage of 1.23V. Operating at V op = 1.55 V (overvoltage 0.32 V) considering the actual measurement value (1.44 to 1.49 Vat 10 mA/cm 2 ) of a cell using a Ni-based electrode catalyst (see Non-Patent Documents 9 and 10) J (V op ) at that time was calculated on the assumption that Further, η F =1 was set to obtain η STC .

AM1.5G 1 sun光照射時のηSTCが最大となるような各サブセルのバンドギャップを求めたところ、直列/並列3接合素子については、ε (t)/ε (m)/ε (b)=2.17/1.51/1.02eV、直列2接合素子については、ε (t)/ε (b)=1.61/0.95eVであった。これらの素子に、図5に示される各スペクトル強度の太陽光を照射したときのηSTCを求めた結果が図6である。AM1.5G 1 sunのときには、直列/並列3接合素子のηSTCは30.9%(J(Vop)=25.1mA/cm)に達する。これに対し、直列2接合素子のηSTCは直列/並列3接合素子よりも3.7%低い値である。その上、短波長成分が相対的に増大するとηSTCが著しく低下し、短波長成分の相対強度が最も大きいOC-2時には、ηSTCは16.9%(J(Vop)=5.2mA/cm)にまで低下する。これとは対照的に、直列/並列3接合素子は、スペクトルの変化に伴うηSTCの低下量が小さく、OC-2であってもηSTC=24.8%(J(Vop)=7.6mA/cm)、すなわち直列2接合の場合の1.5倍もの高い値が保たれる。したがって、直列2接合素子の方がHの生成量が多く、曇天の日が多い条件では、その優位性がより大きくなる。すなわち、日射変動の影響を受けにくいという特長をもつ。なお、直列3接合素子の場合には、AM1.5G 1 sunのときに直列2接合素子よりもさらに低いηSTC=24.6%(J(Vop)=20.0mA/cm)となるので、詳細を省略する。 When the bandgap of each sub-cell that maximizes η STC under AM1.5G 1 sun light irradiation was determined, the series/parallel three-junction device yielded ε g (t)g (m)g (b) = 2.17/1.51/1.02 eV, and for series two-junction devices, ε g (t)g (b) = 1.61/0.95 eV. FIG. 6 shows the results of obtaining η STC when these devices were irradiated with sunlight having the respective spectral intensities shown in FIG. At AM1.5G 1 sun, the η STC of the series/parallel three-junction device reaches 30.9% (J(V op )=25.1 mA/cm 2 ). In contrast, η STC for the series two-junction device is 3.7% lower than the series/parallel three-junction device. Moreover, η STC decreases significantly with the relative increase of the short wavelength component, and at OC-2, when the short wavelength component has the highest relative intensity, η STC is 16.9% (J(V op )=5.2 mA /cm 2 ). In contrast, the series/parallel three-junction device exhibits a small decrease in η STC with spectral change, η STC =24.8% (J(V op )=7 .6 mA/cm 2 ), i.e. 1.5 times higher than for the series two junctions. Therefore, the series two-junction device produces more H2 , and its superiority becomes greater under cloudy day conditions. That is, it has the advantage of being less susceptible to changes in solar radiation. In the case of the series three-junction element, η STC =24.6% (J(V op )=20.0 mA/cm 2 ), which is even lower than that of the series two-junction element at AM1.5G 1 sun. Therefore, we omit the details.

次に、CO還元の場合について検討する。COとHOからCO,HCOOHなどを生成するための閾値電圧はH生成の値よりも高い。さらに、より高い触媒活性を目指した研究が進められているものの、現状ではH生成の場合よりも大きい過電圧が必要である。そこで、各Vopについて、AM1.5G 1 sunの条件でバンドギャップを最適化した場合のJ(Vop)と、日射スペクトル変動の影響を調べた。 Next, consider the case of CO2 reduction. The threshold voltage for producing CO, HCOOH, etc. from CO2 and H2O is higher than that for H2 production. Furthermore, although research is underway aimed at higher catalytic activity, currently higher overvoltages are required than for H2 production. Therefore, for each V op , J(V op ) when the bandgap is optimized under the AM1.5G 1 sun condition and the influence of solar radiation spectrum fluctuation were examined.

結果を図7に示す。AM1.5G 1 sun照射の場合は、Vop=1.9Vまでは直列/並列3接合素子のJ(Vop)が最大であるが、Vopがさらに大きくなると直列3接合素子が優位となる。ところがFine-2(晴天)時には、直列3接合素子の値が小さくなるため、Vop≧2.0Vでも両者は拮抗する。Fine-1(晴天)、OC-1,OC-2(曇天)のときには、計算したVopの全領域にわたって、日射スペクトルの変動の影響を受けにくい直列/並列3接合素子のJ(Vop)が最も大きく、その影響が最も大きい直列3接合素子の値が最小となる。 The results are shown in FIG. In the case of AM1.5G 1 sun irradiation, J(V op ) of the series/parallel three-junction device is the largest up to V op =1.9 V, but the series three-junction device becomes dominant when V op is further increased. . However, in Fine-2 (clear weather), the value of the series three-junction element becomes small, so even if V op ≧2.0 V, the two are in conflict with each other. J (V op ) of the series/parallel three-junction element, which is less susceptible to fluctuations in the solar radiation spectrum, over the entire range of the calculated V op at Fine-1 (clear weather), OC-1, and OC-2 (cloudy weather). is the largest, and the value of the series three-junction element having the largest effect is the smallest.

COからHCOOHを生成する反応の閾値電圧は1.43Vである。Vop=2.0V(過電圧0.57V)、η=0.9を仮定すると(非特許文献6参照)、直列/並列3接合素子を用いた場合のHCOOH生成の変換効率ηSTCは、AM1.5G 1 sun照射時には22.9%(J(Vop)=17.8mA/cm)、OC-2時でも18.8%(J(Vop)=5.5mA/cm)に達する。Vop=2.2V(過電圧0.77V)ならば、それぞれ19.8%(J(Vop)=15.4mA/cm),16.6%(J(Vop)=4.9mA/cm)である。先に述べた通り、晴天時には直列3接合素子の値と拮抗する場合もあるが、曇天時には上回るため、年間を通じての反応生成物量は、直列/並列3接合素子の方が多くなる。 The threshold voltage for the reaction to produce HCOOH from CO2 is 1.43V. Assuming V op =2.0 V (overvoltage 0.57 V) and η F =0.9 (see Non-Patent Document 6), the conversion efficiency η STC for HCOOH generation using a series/parallel three-junction device is: 22.9% (J(V op )=17.8 mA/cm 2 ) under AM1.5G 1 sun irradiation, and 18.8% (J(V op )=5.5 mA/cm 2 ) even at OC-2. reach. If V op =2.2 V (overvoltage 0.77 V), then 19.8% (J(V op )=15.4 mA/cm 2 ) and 16.6% (J(V op )=4.9 mA/cm 2 ), respectively. cm 2 ). As described above, in some cases the value of the series 3-junction element competes with the value of the series 3-junction element in fine weather, but it exceeds in cloudy weather, so the series/parallel 3-junction element has a larger amount of reaction products throughout the year.

最後に、各サブセルのバンドギャップの適切な範囲を求める。 Finally, an appropriate range of bandgaps for each subcell is determined.

トップセル材料のバンドギャップε (t)の適切な範囲は、図7(f)に示される通り、2.0~2.9eVである。 A suitable range for the bandgap ε g (t) of the top cell material is 2.0-2.9 eV, as shown in FIG. 7(f).

ミドルセル、ボトムセルのバンドギャップε (m),ε (b)の適切な範囲を、電流整合および電圧整合の観点から考察する。 Appropriate ranges of the bandgaps ε g (m) and ε g (b) of the middle and bottom cells are considered from the viewpoint of current matching and voltage matching.

ミドルセルとボトムセルの電流整合が破れると、すなわち、Jph (m)とJph (b)が大きく異なると、J(Vop)が低下する。そこで、Jph (m)とJph (b)との違いの許容範囲を求めた。H生成、Vop=1.55Vを想定する。各サブセルの最適バンドギャップは、先に述べたように、ε (t)/ε (m)/ε (b)=2.17/1.51/1.02eVであるので、ε (t)=2.17eVに設定する。Jph (m),Jph (b)はそれぞれN(m),N(b)に比例するので、ε (m),ε (b)の変化に伴ってN(m)/N(b)が変化したときのJ(Vop)を計算した。図8(a)からわかる通り、N(m)/N(b)が0.2~2.5の範囲にあれば、OC-2のときには最適バンドギャップの直列2接合素子の値を上回るJ(Vop)を得ることができる。したがって、ε (m),ε (b)は、N(m)/N(b)=0.2~2.5の条件を満たすように選ぶ必要がある。さらに、N(m)/N(b)が0.5~1.4の範囲ならば、AM1.5G 1 sun時にも最適バンドギャップの直列2接合素子よりも大きいJ(Vop)が得られる。 When the current matching between the middle cell and the bottom cell is broken, ie, when J ph (m) and J ph (b) are significantly different, J(V op ) decreases. Therefore, the permissible range for the difference between J ph (m) and J ph (b) was determined. Assume H 2 production, V op = 1.55V . The optimal bandgap of each subcell is ε g (t)g (m)g (b) =2.17/1.51/1.02 eV, as mentioned above, so ε g Set (t) = 2.17 eV. Since J ph (m) and J ph (b) are proportional to N ( m) and N (b ) respectively, N (m) / N ( J(V op ) was calculated when b) was changed. As can be seen from FIG. 8(a), if N (m) /N (b) is in the range of 0.2 to 2.5, J (V op ) can be obtained. Therefore, ε g (m) and ε g (b) must be selected so as to satisfy the condition N (m) /N (b) =0.2 to 2.5. Furthermore, if N (m) /N (b) is in the range of 0.5 to 1.4, J(V op ) larger than that of a series double-junction device with an optimum bandgap can be obtained even during AM1.5G 1 sun. .

直列/並列2接合素子では、トップセルとミドル/ボトムセルの電流整合が不要となる反面、両者の電圧整合が必要となる。先と同様に、H生成、Vop=1.55Vを想定し、ε (t)=2.17eVに設定する。この際、ε (m)+ε (b)の値を変えたときのJ(Vop)の計算結果を図8(b)に示す。これより、ε (m)+ε (b)がε (t)+0.25~ε (t)+1.1eVの範囲にあれば、OC-2のときには最適バンドギャップをもつ直列2接合素子の場合を上回るJ(Vop)が得られることがわかる。さらに、ε (m)+ε (b)がε (t)+0.25~ε (t)+0.6eVの範囲にあれば、AM1.5G 1 sun時にも最適バンドギャップの直列2接合素子よりも大きいJ(Vop)が得られる。 The series/parallel two-junction device does not require current matching between the top cell and the middle/bottom cell, but requires voltage matching between the two. As before, we assume H 2 production, V op =1.55 V , and set ε g (t) =2.17 eV. FIG. 8B shows the calculation results of J(V op ) when the value of ε g (m)g (b) is changed. From this, if ε g (m) + ε g (b) is in the range of ε g (t) +0.25 to ε g (t) +1.1 eV, the series two junctions with the optimum bandgap for OC-2 It can be seen that a J(V op ) superior to that of the device is obtained. Furthermore, if ε g (m) + ε g (b) is in the range of ε g (t) +0.25 to ε g (t) +0.6 eV, then even in the case of AM1.5G 1 sun, the series two junctions with the optimum bandgap A larger J(V op ) than the element is obtained.

上記の直列/並列3接合光電荷分離素子を作製するための材料について考察する。H生成の電気化学反応セルをVop=1.55Vで動作させるための各サブセルの最適バンドギャップは、先に述べたように、ε (t)/ε (m)/ε (b)=2.17/1.51/1.02eVである。多接合素子の第一候補は、III-V化合物半導体のエピタキシャル成長によるモノリシック素子であり(非特許文献27,28参照)、実際に高い変換効率をもつ太陽電池が実現されているが、高コストである。そこで、より低コストで作製することのできる薄膜材料を用いた素子が開発されており、その中で、ボトムセルにはCIGS(非特許文献22,29参照)、トップ/ミドルセルには有機無機ハイブリッドペロブスカイトが適している(非特許文献23,30,31参照)。ミドルセルのバンドギャップをもつ太陽電池はCIGSおよび関連材料によっても実現されているが、特性向上が必要である(非特許文献29参照)。結晶シリコンも、バンドギャップが最適値よりは僅かに大きい1.12eVであるものの、ボトムセルの候補材料となる(非特許文献29~32参照)。この場合のトップ/ミドルセルの最適バンドギャップはε (t)/ε (m)=2.16/1.54eVであり、AM1.5G 1 sun照射時にηSTC=30.2%(J(Vop)=24.5mA/cm)という、最適値の場合であるηSTC=30.9%(J(Vop)=25.1mA/cm)に遜色ない特性が得られる。 Materials for fabricating the series/parallel three-junction photocharge separation device described above are discussed. The optimum bandgap of each subcell for operating the electrochemical reaction cell for H 2 production at V op = 1.55 V is, as previously stated, ε g (t)g (m)g (b) = 2.17/1.51/1.02 eV. The first candidate for the multi-junction device is a monolithic device by epitaxial growth of III-V compound semiconductors (see Non-Patent Documents 27 and 28), and solar cells with high conversion efficiency have actually been realized. be. Therefore, devices using thin film materials that can be produced at a lower cost have been developed. is suitable (see Non-Patent Documents 23, 30, 31). Solar cells with middle-cell bandgap have also been realized with CIGS and related materials, but their properties need to be improved (see Non-Patent Document 29). Crystalline silicon is also a candidate material for the bottom cell, although it has a bandgap of 1.12 eV, which is slightly larger than the optimum value [29-32]. The optimum bandgap of the top/middle cell in this case is ε g (t)g (m) =2.16/1.54 eV, and η STC =30.2% (J( V op )=24.5 mA/cm 2 ), which is comparable to η STC =30.9% (J(V op )=25.1 mA/cm 2 ), which is the optimum value.

CO還元の電気化学セルをVop=2.0Vで動作させるための最適バンドギャップは、ε (t)/ε (m)/ε (b)=2.66/1.77/1.26eVである。ミドル/ボトムセルについては、有機無機ハイブリッドペロブスカイトまたはCIGS系材料が候補である。トップセルのバンドギャップをもつ太陽電池はInGaN系多重量子井戸により実現されている(非特許文献33,34参照)。 The electrochemical cell for CO2 reduction is set to V op =2. The optimum bandgap for operation at 0V is ε g (t)g (m)g (b) =2.66/1.77/1.26 eV. For middle/bottom cells, organic-inorganic hybrid perovskites or CIGS-based materials are candidates. A solar cell with a top-cell bandgap is realized by an InGaN-based multiple quantum well (see Non-Patent Documents 33 and 34).

以上の通り、実施例により、太陽光エネルギーから化学エネルギーへの変換効率を向上することができる、電気化学反応セルと光電変換素子とを備える化学反応セルが得られることがわかった。 As described above, it was found that the chemical reaction cell including the electrochemical reaction cell and the photoelectric conversion element, which can improve the conversion efficiency from solar energy to chemical energy, can be obtained according to the examples.

1,3,5 化学反応セル、10 光電変換素子、12 正極(アノード電極)、14 負極(カソード電極)、16 流路、18 収容部、20 容器、30 トップセル、32 ミドルセル、34 ボトムセル。 1, 3, 5 chemical reaction cell, 10 photoelectric conversion element, 12 positive electrode (anode electrode), 14 negative electrode (cathode electrode), 16 flow path, 18 container, 20 container, 30 top cell, 32 middle cell, 34 bottom cell.

Claims (6)

電気化学反応セルと光電変換素子とを備える化学反応セルであって、
前記電気化学反応セルの動作電圧(Vop)は、1.4~2.2Vの範囲であり、
前記光電変換素子は、直列接続されたミドル/ボトムセルがトップセルと並列接続された、直列/並列3接合素子であり、
前記トップセルの光吸収材料のバンドギャップ(ε (t))は、1.11×Vop+0.21~1.11×Vop+0.56eVの範囲でかつ2.0~2.9eVの範囲であり、
前記ミドルセルの光吸収材料のバンドギャップ(ε (m))は、0.55×Vop+0.60~0.59×Vop+0.72eVの範囲であり、
前記ボトムセルの光吸収材料のバンドギャップ(ε (b))は、0.53×Vop+0.088~0.56×Vop+0.21eVの範囲であり、
ε (m)+ε (b)の最小値は、1.09×Vop+0.74eVであり、
AM1.5G太陽光スペクトルを照射したときの下記式(1)で表される前記ミドルセルの吸収光子数N(m)の下記式(2)で表される前記ボトムセルの吸収光子数N(b)に対する比N(m)/N(b)は、0.5~1.4の範囲にあることを特徴とする化学反応セル。
Figure 0007260791000016
(1)
Figure 0007260791000017
(2)
(ここで、
Figure 0007260791000018
は、太陽光の光子数スペクトルである。)
A chemical reaction cell comprising an electrochemical reaction cell and a photoelectric conversion element,
The operating voltage (V op ) of the electrochemical reaction cell is in the range of 1.4 to 2.2 V,
The photoelectric conversion element is a series/parallel three-junction element in which a series-connected middle/bottom cell is connected in parallel with a top cell,
The bandgap (ε g (t) ) of the light absorbing material of the top cell is in the range of 1.11×V op +0.21 to 1.11×V op +0.56 eV and 2.0 to 2.9 eV. is the range and
The bandgap (ε g (m) ) of the light absorbing material of the middle cell is in the range of 0.55×V op +0.60 to 0.59×V op +0.72 eV,
The bandgap (ε g (b) ) of the light absorbing material of the bottom cell is in the range of 0.53×V op +0.088 to 0.56×V op +0.21 eV,
The minimum value of ε g (m) + ε g (b) is 1.09×V op +0.74 eV,
Number of absorbed photons N (m) of the bottom cell represented by the following formula (2) of the number of absorbed photons N (m) of the middle cell represented by the following formula (1 ) when irradiated with the AM1.5G sunlight spectrum A chemical reaction cell, wherein the ratio N (m) /N (b) to is in the range of 0.5 to 1.4.
Figure 0007260791000016
(1)
Figure 0007260791000017
(2)
(here,
Figure 0007260791000018
is the photon number spectrum of sunlight. )
請求項1に記載の化学反応セルであって、
前記ε (t)は、1.09×Vop+0.49eVであり、前記ε (m)は、0.57×Vop+0.63eVであり、前記ε (b)は、0.55×Vop+0.18eVであることを特徴とする化学反応セル。
A chemical reaction cell according to claim 1,
The ε g (t) is 1.09×V op +0.49 eV, the ε g (m) is 0.57×V op +0.63 eV, and the ε g (b) is 0.57×V op +0.63 eV. A chemical reaction cell characterized by 55×V op +0.18 eV.
電気化学反応セルと光電変換素子とを備える化学反応セルであって、
前記電気化学反応セルの動作電圧(Vop)は、1.55Vであり、
前記光電変換素子は、直列接続されたミドル/ボトムセルがトップセルと並列接続された、直列/並列3接合素子であり、
前記トップセルの光吸収材料のバンドギャップ(ε (t))は、2.17eVであり、
前記ミドルセルの光吸収材料のバンドギャップ(ε (m))は、1.51eVであり、
前記ボトムセルの光吸収材料のバンドギャップ(ε (b))は、1.02eVであり、
AM1.5G太陽光スペクトルを照射したときの下記式(1)で表される前記ミドルセルの吸収光子数N(m)の下記式(2)で表される前記ボトムセルの吸収光子数N(b)に対する比N(m)/N(b)は、0.2~2.5の範囲にあり、
前記電気化学反応セルは、H OからH とO を生成するセルであることを特徴とする化学反応セル。
Figure 0007260791000019
(1)
Figure 0007260791000020
(2)
(ここで、
Figure 0007260791000021
は、太陽光の光子数スペクトルである。)
A chemical reaction cell comprising an electrochemical reaction cell and a photoelectric conversion element,
The operating voltage (V op ) of the electrochemical reaction cell is 1.55 V,
The photoelectric conversion element is a series/parallel three-junction element in which a series-connected middle/bottom cell is connected in parallel with a top cell,
the bandgap (ε g (t) ) of the light absorbing material of the top cell is 2.17 eV;
The bandgap (ε g (m) ) of the light absorbing material of the middle cell is 1.51 eV,
The bandgap (ε g (b) ) of the light absorbing material of the bottom cell is 1.02 eV,
Number of absorbed photons N (m) of the bottom cell represented by the following formula (2) of the number of absorbed photons N (m) of the middle cell represented by the following formula (1 ) when irradiated with the AM1.5G sunlight spectrum The ratio N (m) /N (b) for
A chemical reaction cell, wherein the electrochemical reaction cell is a cell for generating H2 and O2 from H2O .
Figure 0007260791000019
(1)
Figure 0007260791000020
(2)
(here,
Figure 0007260791000021
is the photon number spectrum of sunlight. )
請求項1または2に記載の化学反応セルであって、
前記電気化学反応セルは、HOからHとOを生成するセルであることを特徴とする化学反応セル。
The chemical reaction cell according to claim 1 or 2 ,
A chemical reaction cell, wherein the electrochemical reaction cell is a cell for generating H2 and O2 from H2O .
請求項1または2に記載の化学反応セルであって、
前記電気化学反応セルは、COを還元するセルであることを特徴とする化学反応セル。
The chemical reaction cell according to claim 1 or 2 ,
A chemical reaction cell, wherein the electrochemical reaction cell is a cell for reducing CO2 .
請求項1または2に記載の化学反応セルであって、
前記電気化学反応セルは、COとHOからCOまたはHCOOHを生成するセルであることを特徴とする化学反応セル。
The chemical reaction cell according to claim 1 or 2 ,
A chemical reaction cell, wherein the electrochemical reaction cell is a cell for producing CO or HCOOH from CO2 and H2O .
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