JP7260791B2 - chemical reaction cell - Google Patents
chemical reaction cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP7260791B2 JP7260791B2 JP2020025091A JP2020025091A JP7260791B2 JP 7260791 B2 JP7260791 B2 JP 7260791B2 JP 2020025091 A JP2020025091 A JP 2020025091A JP 2020025091 A JP2020025091 A JP 2020025091A JP 7260791 B2 JP7260791 B2 JP 7260791B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cell
- reaction cell
- chemical reaction
- series
- bandgap
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/549—Organic PV cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight
Landscapes
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
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(H2O)から水素(H2)を、水(H2O)と二酸化炭素(CO2)から一酸化炭素(CO)、ギ酸(HCOOH)などを合成する人工光合成は、CO2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
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。H2Oを分解してH2を生成する反応の閾値電圧は、1.23Vであり、CO2とH2O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
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
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.
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(εg
(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(εg
(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(εg
(b))は、0.53×Vop+0.088~0.56×Vop+0.21eVの範囲であり、εg
(m)+εg
(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。
(ここで、
(here,
前記化学反応セルにおいて、前記前記ε g (t) は、1.09×V op +0.49eVであり、前記ε g (m) は、0.57×V op +0.63eVであり、前記ε g (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(εg (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(εg (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(εg (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 2 OからH 2 とO 2 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、H2OからH2とO2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、CO2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、CO2とH2O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(εg
(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(εg
(m))とボトムセルの光吸収材料のバンドギャップ(εg
(b))との和εg
(m)+εg
(b)は、εg
(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。
ミドルセルの光吸収材料のバンドギャップ(εg (m))とボトムセルの光吸収材料のバンドギャップ(εg (b))との和εg (m)+εg (b)は、εg (t)よりも0.25~1.1eV大きく、εg (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
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、H2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。CO2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-xGaxSe2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-xGaxSe2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、(FAPbI3)0.95(MAPbBr3)0.05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
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
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(H2O)が酸化されて酸素(1/2O2)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
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
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(TiO2)、酸化スズ(SnO2)、シリコン(Si)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タンタル(Ta2O5)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
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)Cl2]、[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)(CH3CN)Cl2]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
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
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
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
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.
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(K2IrCl6)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(HNO3)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
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(CO2)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(CO2)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
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
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
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J0、直列抵抗Rs、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).
q,kB,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εgと太陽光の光子数スペクトル
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、J0は
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).
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.
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.
光電荷分離素子を電気化学反応セルと組み合わせてH2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V0とVopの比にファラデー効率ηF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).
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。Rs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=FF0×0.95(FF0はRs=0のときの値)となるようにRs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)Se2(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(Rs)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 (
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H2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/cm2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/cm2)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ηF=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、εg
(t)/εg
(m)/εg
(b)=2.17/1.51/1.02eV、直列2接合素子については、εg
(t)/εg
(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/cm2)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/cm2)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/cm2)、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H2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/cm2)となるので、詳細を省略する。
When the bandgap of each sub-cell that maximizes η STC under
次に、CO2還元の場合について検討する。CO2とH2OからCO,HCOOHなどを生成するための閾値電圧はH2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H2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
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
CO2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)、ηF=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/cm2)、OC-2時でも18.8%(J(Vop)=5.5mA/cm2)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/cm2),16.6%(J(Vop)=4.9mA/cm2)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
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εg (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εg (m),εg (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。H2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、εg
(t)/εg
(m)/εg
(b)=2.17/1.51/1.02eVであるので、εg
(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、εg
(m),εg
(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、εg
(m),εg
(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) /ε g (m) /ε 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
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、H2生成、Vop=1.55Vを想定し、εg
(t)=2.17eVに設定する。この際、εg
(m)+εg
(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、εg
(m)+εg
(b)がεg
(t)+0.25~εg
(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、εg
(m)+εg
(b)がεg
(t)+0.25~εg
(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) +ε 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
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。H2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、εg
(t)/εg
(m)/εg
(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εg
(t)/εg
(m)=2.16/1.54eVであり、AM1.5G 1 sun照射時にηSTC=30.2%(J(Vop)=24.5mA/cm2)という、最適値の場合であるηSTC=30.9%(J(Vop)=25.1mA/cm2)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) /ε g (m) /ε 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
CO2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、εg (t)/εg (m)/εg (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) /ε g (m) /ε 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)
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(εg (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(εg (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(εg (b))は、0.53×Vop+0.088~0.56×Vop+0.21eVの範囲であり、
εg (m)+εg (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。
(ここで、
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.
(here,
前記εg (t)は、1.09×Vop+0.49eVであり、前記εg (m)は、0.57×Vop+0.63eVであり、前記εg (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.
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(εg (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(εg (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(εg (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 2 OからH 2 とO 2 を生成するセルであることを特徴とする化学反応セル。
(ここで、
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 .
(here,
前記電気化学反応セルは、H2OからH2とO2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 .
前記電気化学反応セルは、CO2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 .
前記電気化学反応セルは、CO2とH2O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 .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020025091A JP7260791B2 (en) | 2020-02-18 | 2020-02-18 | chemical reaction cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020025091A JP7260791B2 (en) | 2020-02-18 | 2020-02-18 | chemical reaction cell |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021130832A JP2021130832A (en) | 2021-09-09 |
JP7260791B2 true JP7260791B2 (en) | 2023-04-19 |
Family
ID=77550542
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020025091A Active JP7260791B2 (en) | 2020-02-18 | 2020-02-18 | chemical reaction cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7260791B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115172501B (en) * | 2022-07-21 | 2023-05-30 | 中山德华芯片技术有限公司 | Multi-junction solar cell for voltage matching space and preparation method and application thereof |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004111687A (en) | 2002-09-19 | 2004-04-08 | Daido Steel Co Ltd | Tandem type solar cell |
JP2012138556A (en) | 2010-12-27 | 2012-07-19 | Fumimasa Yo | Multi-junction solar cell |
JP2015206109A (en) | 2014-04-11 | 2015-11-19 | 株式会社豊田中央研究所 | Photochemical reaction device and electrode for oxidation reaction and electrode for reduction reaction used in the same |
JP2016034611A (en) | 2014-08-01 | 2016-03-17 | 株式会社デンソー | Semiconductor photocatalyst and artificial photosynthesis device applying the same |
JP2019059996A (en) | 2017-09-27 | 2019-04-18 | 株式会社豊田中央研究所 | Artificial photosynthesis cell |
JP2019131860A (en) | 2018-01-31 | 2019-08-08 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Multijunction light-energy conversion element and device equipped therewith |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS57120384A (en) * | 1981-01-19 | 1982-07-27 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Solar generating element |
KR102095100B1 (en) * | 2018-02-22 | 2020-03-31 | 한국과학기술원 | Four-terminal Multi-junction Photovoltaic Cell using Optical Microstructure |
-
2020
- 2020-02-18 JP JP2020025091A patent/JP7260791B2/en active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004111687A (en) | 2002-09-19 | 2004-04-08 | Daido Steel Co Ltd | Tandem type solar cell |
JP2012138556A (en) | 2010-12-27 | 2012-07-19 | Fumimasa Yo | Multi-junction solar cell |
JP2015206109A (en) | 2014-04-11 | 2015-11-19 | 株式会社豊田中央研究所 | Photochemical reaction device and electrode for oxidation reaction and electrode for reduction reaction used in the same |
JP2016034611A (en) | 2014-08-01 | 2016-03-17 | 株式会社デンソー | Semiconductor photocatalyst and artificial photosynthesis device applying the same |
JP2019059996A (en) | 2017-09-27 | 2019-04-18 | 株式会社豊田中央研究所 | Artificial photosynthesis cell |
JP2019131860A (en) | 2018-01-31 | 2019-08-08 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Multijunction light-energy conversion element and device equipped therewith |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Steven Y. Reece et al.,Wireless Solar Water Splitting Using Silicon-Based Semiconductors and Earth-Abundant Catalysts,Science,2011年11月04日,334,645-648 |
Takeo Arai, Shunsuke Sato and Takeshi Morikawa,A monolithic device for CO2 photoreduction to generate liquid organic substances in a single-compartment reactor,Energy Environ. Science,2015年05月27日,1998-2002 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2021130832A (en) | 2021-09-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Kumar et al. | Functionalized metal oxide nanoparticles for efficient dye-sensitized solar cells (DSSCs): A review | |
Thakur et al. | Current progress and challenges in photoelectrode materials for the production of hydrogen | |
Chen et al. | Metal oxide-based tandem cells for self-biased photoelectrochemical water splitting | |
Yang et al. | Strategies for enhancing the photocurrent, photovoltage, and stability of photoelectrodes for photoelectrochemical water splitting | |
Pan et al. | Quantum dot-sensitized solar cells | |
Kumar et al. | Quantum-sized nanomaterials for solar cell applications | |
Jacobsson et al. | A monolithic device for solar water splitting based on series interconnected thin film absorbers reaching over 10% solar-to-hydrogen efficiency | |
Grätzel | Photovoltaic and photoelectrochemical conversion of solar energy | |
Gonçalves et al. | Dye-sensitized solar cells: A safe bet for the future. | |
Chen et al. | Towards efficient solar-to-hydrogen conversion: fundamentals and recent progress in copper-based chalcogenide photocathodes | |
Francis et al. | Review of dye-sensitized solar cell (DSSCs) development | |
Reddy et al. | Futuristic kusachiite solar cells of CuBi2O4 absorber and metal sulfide buffer Layers: Theoretical efficiency approaching 28% | |
Manjunath et al. | 22% efficient Kusachiite solar cells of CuBi2O4 light harvester and ABO3 buffer layers: a theoretical analysis | |
Eftekharinia et al. | Unassisted water splitting using standard silicon solar cells stabilized with copper and bifunctional NiFe electrocatalysts | |
Pushparaj et al. | Employing novel Si-over-Si technology to optimize PV effect in solar array | |
Li et al. | Recent progress in hydrogen: From solar to solar cell | |
Kodati et al. | A review of solar cell fundamentals and technologies | |
Perez‐Rodriguez et al. | Designing a hybrid thin‐film/wafer silicon triple photovoltaic junction for solar water splitting | |
JP7260791B2 (en) | chemical reaction cell | |
Kalyanasundaram | Photochemical and photoelectrochemical approaches to energy conversion | |
Takeda et al. | Spectrally robust series/parallel-connected triple-junction photovoltaic cells used for artificial photosynthesis | |
Dey | Role of earth-abundant selenium in different types of solar cells | |
Singh et al. | Photovoltaic-A Review of the Solar Cell Generation | |
Pal et al. | Advances in Solar Energy: Solar Cells and Their Applications | |
Nikolić et al. | A review of non-silicon and new photovoltaics technology for electricity generation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210706 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20220427 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220607 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220805 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20221108 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20221213 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20230307 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230320 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7260791 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |