化学反应装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明的实施方式涉及一种化学反应装置。
【背景技术】
[0002]从能源问题和环境问题的观点考虑，再生能源急速增加。特别是在EU中，存在瑞典那样的再生能源(自然能源)占能源的50%的国家。
[0003]但是，消耗电力(电能)随人类的生活行动经常变动，因此，需求与供给之间的平衡变差。为了补充消耗电力而将难以调节输出功率的核能与不规则的自然能源组合时，担心不符合消耗电力量，剩余电力的产生增加。今后，再生能源增加时，在利用火力能源进行输出功率调节方面存在限度。
[0004]考虑将该剩余电力输送到电力不足的地域，但是，会产生由送电带来的能量损失和成本等问题。对于这样的问题，作为现行的对策，可举出利用抽水发电的汲水或利用蓄电池的蓄电。但是，存在适合设置能进行抽水发电的水库的土地受限、蓄电池成本高的问题。
[0005]这样，电能存在涉及蓄电以及送电的问题。另一方面，作为能储存以及输送的再生能源，提出了人工光合作用系统。
[0006]人工光合作用为如植物那样的利用光能生成化学燃料(化学能)的技术。植物使用被称作Z-scheme的、通过2个阶段激发光能的系统。由此，植物通过利用太阳能，将水氧化而得到电子，将二氧化碳还原而合成纤维素和糖类。在人工光合作用中，通过人工的光化学反应，能够进行该植物的光合作用反应。
[0007]在专利文献I中，在光催化剂的表面设置有二氧化碳(CO2)还原催化剂。并且，该
0)2还原催化剂经由电线与其它光催化剂连接。其它光催化剂通过光能而得到电位。CO 2还原催化剂通过经由电线从其它光催化剂得到还原电位，从而将CO2还原，生成甲酸。这样，在专利文献I中，为了得到在使用可见光利用光催化剂进行0)2的还原时所需要的电位，使用了两段激发。但是，该由太阳光向化学能的转换效率为0.04%，非常低。这归因于利用可见光激发的光催化剂的能量效率低。
[0008]在专利文献2中，为了得到反应的电位，考虑使用硅太阳能电池，在其两面设置催化剂进行反应的结构。在非专利文献I中，为了得到反应的电位，通过使用将硅太阳能电池重叠而成的结构，在其两面设置催化剂，从而进行水(H2O)的电解反应。它们的由太阳光能量向化学能的转换效率为4.7%，非常高。
[0009]但是，即使是该人工光合作用系统，也不至于超过太阳能电池的太阳光能量转换效率。换言之，由于利用太阳能电池的电荷分离而得到电动势，因此，不可能超过太阳能电池的太阳光能量转换效率。
[0010]因此，这些人工光合作用系统在具有剩余电力的情况下，有效地发挥作用，但是，电力不足时，不能有效地发挥作用。即，电力不足时，与利用这些人工光合作用系统将太阳光能量转换为化学能、并将该化学能转换为电能相比，使用太阳能电池，直接将太阳光能量转换为电能的效率更高。因此，在电力不足时，与使用人工光合作用系统生成化学能相比，使用太阳能电池生成电能更有效。
[0011]为了解决具有剩余电力的情况以及电力不足的情况这两者的问题，考虑人工光合作用系统以及太阳能电池均设置。但是，通过设置人工光合作用系统以及太阳能电池，设置面积至少需要2倍以上。
[0012]另外，当具有剩余电力的情况、且太阳光能量少的情况下，有除了使用人工光合作用系统以外，通过使用了电源的通常的电解系统，将电能转换为化学能的方法。但是，存在太阳能电池与电解系统的连接、和必须以追随不稳定的自然能源的方式运用装置的问题。
[0013]这样，不存在人工光合作用系统、太阳能电池、以及电解系统根据剩余电力的有无以及太阳光能量的有无等条件、以高的能量转换效率适当地工作的一体型设备。
[0014]现有技术文献
[0015]专利文献
[0016]专利文献1:日本特开2011-094194号公报
[0017]专利文献2:日本特开平10-290017号公报
[0018]非专利文献
[0019]非专利文献I:S.Y.Reece 等,Science, vol.334.pp.645 (2011)
【发明内容】
[0020]发明要解决的课题
[0021]本发明的目的在于提供一种根据各种条件、能量转换效率高地以人工光合作用系统、太阳能电池、或者电解系统的方式适当地工作的一体型化学反应装置。
[0022]用于解决课题的方法
[0023]本实施方式的化学反应装置包括:电解槽，其收纳电解液；层叠体，其被收纳于所述电解槽内，具备:配置在光照射侧的第I电极、配置在与光照射侧相反的一侧的第2电极、以及形成于所述第I电极与所述第2电极之间且利用光能进行电荷分离的光电动势层；夕卜部电源，其经由第I开关元件电连接在所述第I电极与所述第2电极之间；电力需要部，其经由第2开关元件电连接在所述第I电极与所述第2电极之间，与所述外部电源并联；以及开关元件控制部，其控制所述第I开关元件以及所述第2开关元件的开/关。
【附图说明】
[0024]图1是表示第I实施方式的化学反应装置的结构例的结构示意图。
[0025]图2是表示第I实施方式的化学反应装置的人工光合作用系统工作的图。
[0026]图3是表示第I实施方式的化学反应装置的电解系统工作的图。
[0027]图4是表示第I实施方式的化学反应装置的太阳能电池工作的图。
[0028]图5是表示第I实施方式的化学反应装置的太阳能电池工作的变形例的图。
[0029]图6是表示第I实施方式的化学反应装置的工作的流程图。
[0030]图7是表示第I实施方式的化学反应装置的第I变形例的结构的结构示意图。
[0031]图8是表示第I实施方式的化学反应装置的第2变形例的结构的结构示意图。
[0032]图9是表示第2实施方式的化学反应装置的结构例的结构示意图。
[0033]图10是表示第2实施方式的化学反应装置的人工光合作用系统工作的图。
[0034]图11是表示第2实施方式的化学反应装置的电解系统工作的图。
[0035]图12是表示第2实施方式的化学反应装置的太阳能电池工作的图。
[0036]图13是表示第2实施方式的化学反应装置的太阳能电池工作的变形例的图。
[0037]图14是表示第2实施方式的化学反应装置的第I变形例的结构的结构示意图。
[0038]图15是表示第2实施方式的化学反应装置的第2变形例的结构的结构示意图。
[0039]图16是表示第3实施方式的化学反应装置的结构例的结构示意图。
[0040]图17是表示第3实施方式的化学反应装置的人工光合作用系统工作的图。
[0041]图18是表示第3实施方式的化学反应装置的电解系统工作的图。
[0042]图19是表示第3实施方式的化学反应装置的太阳能电池工作的图。
[0043]图20是表示第3实施方式的化学反应装置的太阳能电池工作的变形例的图。
[0044]图21是表示第3实施方式的化学反应装置的第I变形例的结构的结构示意图。
【具体实施方式】
[0045]以下参照【附图说明】本实施方式。在附图中，相同部分附以相同参照符号。另外，重复的说明根据需要进行。
[0046]1.第I实施方式
[0047]以下使用图1至图8，对第I实施方式的化学反应装置进行说明。
[0048]在第I实施方式的化学反应装置中，由包括第I电极16、光电动势层15、以及第2电极11的层叠体10 ;收纳层叠体10的电解槽21 ;以及能与层叠体10电连接或者电遮断的外部电源32以及电力需要部34构成。由此，化学反应装置通过将层叠体10和外部电源32电连接，能够以电解系统的方式起作用；通过将层叠体10和电力需要部34电连接，能够以太阳能电池的方式起作用；通过将层叠体10与外部电源32以及电力需要部34电遮断，能够以人工光合作用系统的方式起作用。因此，能够提供一种对应于各种条件均适当地工作的一体型化学反应装置。以下对第I实施方式进行详细说明。
[0049]1-1.第I实施方式的结构
[0050]图1是表示第I实施方式的化学反应装置的结构例的结构示意图。此外，在图1中，层叠体10以及电解槽21示出了其截面结构。
[0051]如图1所示，第I实施方式的化学反应装置包括:层叠体10、电解槽21、外部电源32、电力需要部34、开关元件控制部41、以及电解液控制部61。
[0052]电解槽21在其内部收纳层叠体10。另外，电解槽21为了浸渍层叠体10，在其内部收纳电解液23。电解液23例如为含H2O的溶液。作为这样的溶液，可举出含有任意的电解质的溶液，但是，优选为促进H2O的氧化反应的溶液。另外，电解液23例如为含CO2的溶液。电解槽21的上表面设置有透光率高的例如由玻璃或者丙烯酸类树脂形成的窗部。照射光从电解槽21的上方进行照射。通过该照射光，层叠体10进行氧化还原反应。
[0053]另外，配管22与电解槽21连接。配管22向电解槽21内注入电解液23、或者从电解槽21内排出电解液23。
[0054]电解液控制部61控制电解槽21内的电解液23。更具体地，电解液控制部61测定电解槽21内的电解液23的量，控制利用配管22进行的电解液23的注入以及排出。由此，当作为人工光合作用系统以及电解系统使用时，为了进行充分的电解反应，电解液控制部61将电解液23填充到电解槽21内。另外，当作为太阳能电池使用时，为了不使电解液23中产生电流，电解液控制部61将电解液23从电解槽21内排出，将空气填充到电解槽21内。另外，不限于空气，只要是导电率低的物质，也可以为气体、液体。
[0055]层叠体10具有第I电极16、光电动势层15、第2电极11、第I催化剂17、以及第2催化剂18。层叠体10为在平面上扩展的平板状，以第2电极11为基材(基板)依次形成。此外，在此，以光照射侧为表面(上表面)、以光照射侧的相反侧为背面(下表面)进行说明。
[0056]第2电极11具有导电性。另外，第2电极11是为了支撑层叠体41、增强其机械强度而设置的。第2电极11例如由Cu、Al、T1、N1、Fe、或者Ag等金属板、或者至少含有它们中的一种的例如SUS那样的合金板构成。另外，第2电极11也可以由导电性的树脂等构成。另外，第2电极11也可以由Si或者Ge等半导体基板、离子交换膜构成。
[0057]光电动势层15形成于第2电极11上(表面上(上表面上))。光电动势层15由第I光电动势层12、第2光电动势层13、以及第3光电动势层14构成。
[0058]第I光电动势层12、第2光电动势层13、以及第3光电动势层14分别是使用了pin接合半导体的太阳能电池，光的吸收波长不同。通过将其层叠成平面状，光电动势层15能吸收太阳光的宽波长的光，能够更有效利用太阳光能量。另外，由于各光电动势层串联连接，因此，能够得到高的开路电压。
[0059]更具体地，第I光电动势层12形成于第2电极11上，例如由从下部侧起依次形成的η型非晶娃(a-Si)层、本征非晶娃锗(a-SiGe)层、以及P型微晶娃(μ c_Si)层构成。在此，a-SiGe层为吸收700nm左右的长波长区域的光的层。S卩，第I光电动势层12利用长波长区域的光能，产生电荷分离。
[0060]另外，第2光电动势层13形成于第I光电动势层12上，例如由从下部侧起依次形成的η型a-Si层、本征a-SiGe层、以及P型yc_Si层构成。在此，a-SiGe层是吸收600nm左右的中间波长区域的光的层。即，第2光电动势层13利用中间波长区域的光能，产生电荷分离。
[0061]另外，第3光电动势层14形成于第2光电动势层13上，例如由从下部侧起依次形成的η型a-Si层、本征a-Si层、以及p型μ c_Si层构成。在此，a_Si层为吸收400nm左右的短波长区域的光的层。即，第3光电动势层14利用短波长区域的光能产生电荷分离。
[0062]这样，光电动势层15利用各波长区域的光产生电荷分离。S卩，空穴向阳极侧(表面侧)分离，电子向阴极侧(背面侧)分离。由此，光电动势层15产生电动势。
[0063]第I电极16形成于光电动势层15的P型半导体层(p型μ C-Si层)上。因此，第I电极16优选由能够与P型半导体层欧姆接触的材料构成。第I电极例如由Ag、Au、Al、或者Cu等金属、或者含有它们中的至少一种的合金构成。另外，第I电极16也可以由ΙΤ0、Zn0、FT0、AZ0、或者ATO等透明导电性氧化物构成。另外，第I电极16例如也可以由将金属与透明导电性氧化物层叠而成的结构、将金属与其它导电性材料复合而成的结构、或者将透明导电性氧化物与其它导电性材料复合而成的结构构成。
[0064]另外，在本例中，照射光通过第I电极16到达光电动势层15。因此，配置于光照射侧(在附图中为上部侧)的第I电极16对于照射光具有透光性。更具体地，光照射侧的第I电极16的透光性优选为照射光的照射量的至少10%以上、更优选为30%以上。或者，第I电极16具有能够透过光的开口部分。S卩，第I电极16的形状不限于薄膜状，也可以为格子状、粒子状、或者线状。开口率至少为10%以上、更优选为30%以上。
[0065]此外，在上述中，以由三层光电动势层(第I光电动势层12、第2光电动势层13、以及第3光电动势层14)的层叠结构构成的光电动势层15为例进行了说明，但是，并不限于此。光电动势层15也可以由两层或者四层以上的光电动势层的层叠结构构成。或者，也可以使用一层光电动势层来代替光电动势层的层叠结构。另外，在前述中，对使用了 Pin接合半导体的太阳能电池进行了说明，但是，也可以为使用了 pn接合型半导体的太阳能电池。另外，作为半导体层，示出了由Si以及Ge构成的例子，但是，并不限于此，也可以由化合物半导体系、例如GaAs、GalnP、AlGalnP、CdTe、CuInGaSe构成。而且，可以适用单晶、多晶、非晶状的各种形态。另外，第I电极16以及第2电极11可以设置在光电动势层15的整个面上，也可以部分地设置。
[0066]第I催化剂层17形成于第I电极16的上表面上。第I催化剂层17是为了提高在第I电极16的表面附近的化学反应性(氧化反应性)而设置的。作为电解液23，使用水溶液、即含H2O溶液时，第I电极16将H2O氧化，生成02和H+。因此，第I催化剂层17由使用于氧化H2O的活性化能减少的材料构成。换言之，由使氧化H20、生成02和H+时的过电压降低的材料构成。作为这样的材料，可举出氧化锰(Mn-O)、氧化铱(Ir-O)、氧化镍(N1-O)、氧化钴(Co-Ο)、氧化铁(Fe-O)、氧化锡(Sn-O)、氧化铟(In-O)、或者氧化^!了 (Ru-O)等二元系金属氧化物、N1-Co-0、N1-Fe-0、La-Co-O、N1-La-O、Sr-Fe-O 等三元系金属氧化物、Pb-Ru-1r-O、La-Sr-Co-O等四元系金属氧化物、或者Ru络合物或Fe络合物等金属络合物。另外，作为第I催化剂层17的形状，不限于薄膜状，也可以为格子状、粒子状、或者线状。另外，也可以在位于第I电极16的将金属与透明导电性氧化物层叠而成的结构的金属部、或者将金属与其它导电性材料复合而成的结构的金属部中设置催化剂性能。另外，电极金属自身也可以具有催化剂性能。由此，能够将结构简略化。
[0067]第2催化剂18形成于第2电极11的下表面上。第2催化剂18是为了提高第2电极11的背面附近的化学反应性(还原反应性)而设置的。作为电解液23，使用含有0)2的溶液时，将CO2还原，生成碳化合物(例如CO、HC00H、CH 4、CH3OH, C2H5OH, C2H4)等。因此，第2催化剂18由使用于还原0)2的活性化能减少的材料构成。换言之，由使将CO2还原、生成碳化合物时的过电压降低的材料构成。作为这样的材料，可举出Au、Ag、Cu、Pt、C、N1、Zn、C、石墨稀、CNT(carbon nanotube，碳纳米管)、富勒稀、科琴黑、或者Pd等金属、或者含有它们中的至少一种的合金、或者Ru络合物或Re络合物等金属络合物。另外，作为电解液23，使用不含CO2的水溶液、即不含CO 2的H 20时，将H2O还原，生成H2。因此，第2催化剂18由使用于还原H2O的活性化能减少的材料构成。换言之，由使还原H20、生成H2时的过电压降低的材料构成。作为这样的材料，可举出N1、Fe、Pt、T1、Au、Ag、Zn、Pd、Ga、Mn、Cd、C、石墨烯等金属或者含有它们中的至少一种的合金。另外，作为第