(57)【要約】  （Ａ）電気的絶縁基板２と、（Ｂ）作用電極１２を支持するように配置されたキャリア領域４、対向電極１４に接続されたコンタクト部分１０、それらのキャリア領域４を第１の端子６に接続する第１の組のコンタクト経路５、および、それらのコンタクト部分１０を第２の端子８に接続する第２の組のコンタクト経路７を含む導電パターン３と、（Ｃ）その基板２上に配列された多孔質構造部材１１１〜１１２ｎのアレイとを備える封止モノリシック光電気化学システム１及びこれを製造する方法において、各多孔質構造部材１１が、作用電極１２と、絶縁層１３と、対向電極１４とを備え、電解液が、複数の電気化学セルを形成するために、それらの多孔質構造部材１１１〜１１２ｎ内に少なくとも部分的に満たされ、エンキャプスレーションが、その多孔質構造部材１１１〜１１２ｎのアレイを被覆することを特徴とする。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的絶縁基板（２）、
作用電極（１２）を支持するように配置されたキャリア領域（４）と、対向電極（１４）に接続されたコンタクト部分（１０）と、前記キャリア領域（４）を第１の端子（６）に接続する第１の組のコンタクト経路（５）と、前記コンタクト部分（１０）を第２の端子（８）に接続する第２の組のコンタクト経路（７）とを含む導電パターン（３）、および、
前記基板（２）上に配列された多孔質構造部材（１１１〜１１２ｎ）のアレイ
を備える封止モノリシック光電気化学システム（１）であって、
前記多孔質構造部材（１１）のそれぞれが、前記作用電極（１２）と、絶縁層（１３）と、前記対向電極（１４）とを備え、電解液が、複数の電気化学セルを形成するよう前記多孔質構造部材（１１１〜１１２ｎ）内に少なくとも部分的に満たされ、エンキャプスレーションが、前記多孔質構造部材（１１１〜１１２ｎ）のアレイを被覆する、
封止モノリシック光電気化学システム（１）において、
前記第１の組のコンタクト経路（５）および前記第２の組のコンタクト経路（７）が、前記複数の電気化学セルを並列に接続していることを特徴とする封止モノリシック光電気化学システム。
【請求項２】
前記キャリア領域（４）および前記コンタクト部分（１０）が、前記基板（２）上に配置された導電材料から構成される中間層（２４）から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の封止モノリシック光電気化学システム。
【請求項３】
前記中間層（２４）が、前記電解液に曝される第１の材料から形成されること、および、前記第１の組のコンタクト経路（５）および前記第２の組のコンタクト経路（７）が、前記第１の材料よりも低い抵抗率を有する高い導電性を有する材料から構成される導電体（２６）を含むことを特徴とする請求項２に記載の封止モノリシック光電気化学システム。
【請求項４】
前記第１の材料が、ドープされたＳｎＯ２であること、および、前記高い導電性を有する材料が、銀であることを特徴とする請求項３に記載の封止モノリシック光電気化学システム。
【請求項５】
前記複数のセルが、間隙（４１）によって分離された細長いセルの行（４４）から構成されることと、
前記第１の組のコンタクト経路（５）および前記第２の組のコンタクト経路（７）が、
前記行（４４）に沿って延びる第１の基部（４３）と前記第１の基部（４３）に接続された第１の組の拡張部（４５）、および、
前記行（４４）に沿って延びる第２の基部（４９）
を含み
前記第１の組の拡張部（４５）が、前記行内の第１のセル（１１１）に沿って延びる第１の拡張部（４６）と、前記行（４４）内の最後のセル（１１２ｎ）に沿って延びる最後の拡張部（４７）と、前記第１の基部（４３）と前記第１の組の拡張部（４５）とが櫛状のパターン（）を形成するように、第２の間隙（４１）から開始して前記セル（１１１〜１１２ｎ）間の一つおきの間隙（４１）内へ延びる第１の組の中間拡張部（４８）とを含み、
前記第１の基部（４３）および前記第２の基部（４９）が、前記行（４４）の両側に配置され、また、前記第２の基部（４９）と第２の組の拡張部（５０）とが櫛状のパターン（）を形成するように、前記第２の基部（４９）に接続されかつ第１の間隙（４１）から開始して前記セル（１１１〜１１２ｎ）間の一つおきの間隙（４１）内へ延びる前記第２の組の中間拡張部（５０）を含み、
前記中間拡張部（４８、５０）のそれぞれが、隣接するセル（１１ｎ−１〜１１ｎ）の両方に接続され、前記第１の基部（４３）および前記第１の組の拡張部（４５）が、前記第１の組のコンタクト経路（５）および前記第２の組のコンタクト経路（７）の一方の一部分を形成し、前記第２の基部（４９）および前記第２の組の拡張部（５０）が、前記第１の組のコンタクト経路（５）および前記第２の組のコンタクト経路（７）の他方の一部分を形成することと、
を特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の封止モノリシック光電気化学システム。
【請求項６】
前記セル（１１１〜１１２ｎ）の行（４４）が、偶数個のセルを含むことを特徴とする請求項５に記載の封止モノリシック光電気化学システム。
【請求項７】
前記セル（１１１〜１１２ｎ）が、長方形であり、約５〜１０ｍｍの幅および約３０〜２００ｍｍの長さを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の封止モノリシック光電気化学システム。
【請求項８】
前記対向電極（１４）が、前記第２の組のコンタクト経路（７）の前記コンタクト部分（１０）まで下方へ延びかつ前記コンタクト部分（１０）に接触する第１の端部（１７）を有し、それによって、前記対向電極（１４）が、前記第２の組のコンタクト経路に電気的に接触した状態にあり、前記端部（１７）が、前記対向電極（１４）の残りの部分とは異なる組成を有するコンタクト層（１８）を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の封止モノリシック電気化学システム。
【請求項９】
前記異なる組成が、前記対向電極の残りの部分よりも強力に前記コンタクト部分（１０）に接着することを特徴とする請求項８に記載の封止モノリシック電気化学システム。
【請求項１０】
前記異なる組成が、前記対向電極の主要部分とは異なる割合の黒鉛とカーボンブラックとから構成されることを特徴とする請求項９に記載の封止モノリシック電気化学システム。
【請求項１１】
ａ）前記キャリア領域（４）を含む導電パターンを前記基板（２）上に形成するステップと、
ｂ）前記作用電極（１２）を形成するために、半導体材料によって前記キャリア領域（４）のそれぞれを少なくとも部分的に被覆するステップと、
ｃ）前記作用電極（１２）を形成することを意図した前記半導体材料を、前記作用電極のそれぞれと前記対向電極（１４）との間に前記絶縁層（１３）を形成することを意図した絶縁材料によって被覆するステップと、
ｄ）前記コンタクト部分（１０）に結合された前記対向電極（１４）を形成することを意図した導電材料によって前記絶縁材料を少なくとも部分的に被覆するステップと、
が実行される請求項１に記載の封止モノリシック電気化学システムを製造する方法において、
前記作用電極（１２）が、前記基板（２）上に成膜された後に、第１の焼結プロセスにおいて、半導体材料を焼結することによって形成され、前記対向電極（１４）が、前記第１の焼結プロセスの後の第２の焼結プロセスにおいて、焼結することによって形成されることと、
前記第２の焼結プロセスの温度が、前記第１の焼結プロセスの温度よりも低いことと、
を特徴とする方法。
【請求項１２】
前記第１の焼結プロセスの前記温度が、４２０〜６００℃の範囲内に存在することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２の焼結プロセスの前記温度が、４００℃以下であることを特徴とする請求項１１または１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記作用電極（１２）が、ＴｉＯ２の多孔質層から構成されることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記対向電極（１４）が、炭素の多孔質層から構成されることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記対向電極（１４）を形成する前記ステップｄ）が、前記対向電極（１４）を前記コンタクト部分（１０）に接着させるように配置されたコンタクト材料（１８）を付加する第１のステップｄ１）と、前記対向電極（１４）の残りの部分を形成するために導電材料を付加する第２のステップｄ２）とを含むことを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
ａ）前記キャリア領域（４）を含む導電パターンを前記基板（２）上に形成するステップと、
ｂ）前記作用電極（１２）を形成するために、半導体材料によって前記キャリア領域（４）のそれぞれを少なくとも部分的に被覆するステップと、
ｃ）前記作用電極（１２）を形成することを意図した前記半導体材料を、前記作用電極のそれぞれと前記対向電極（１４）との間に前記絶縁層（１３）を形成することを意図した絶縁材料によって被覆するステップと、
ｄ）前記コンタクト部分（１０）に結合された前記対向電極（１４）を形成することを意図した導電材料によって前記絶縁材料を少なくとも部分的に被覆するステップと、
が実行される請求項１に記載の封止モノリシック電気化学システムを製造する方法において、
前記対向電極（１４）を形成する前記ステップｄ）が、前記対向電極（１４）を前記コンタクト部分（１０）に接着させるように配置されたコンタクト材料（１８）を付加する第１のステップｄ１）と、前記対向電極（１４）の残りの部分を形成するために導電材料を付加する第２のステップｄ２）とを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
電気的絶縁基板と、作用電極を支持するように配置されたキャリア領域を含む導電パターンとを備えた封止モノリシック光電気化学システムであって、
前記基板上に配列された多孔質構造部材のアレイをさらに備え、それぞれの前記多孔質構造部材が、前記作用電極と、絶縁層と、対向電極と備え、複数の電気化学セルを形成するために、電解液が、前記多孔質構造部材内に少なくとも部分的に満たされ、エンキャプスレーションが、前記多孔質構造部材のアレイを被覆し、それぞれがセルを形成する複数の前記多孔質構造部材を備えた基板ごとに、前記作用電極によって被覆された活性領域が、基板の総面積の７５％以上を被覆する、
封止モノリシック光電気化学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文に記載された封止モノリシック光電気化学システムに関する。本発明は、電気絶縁基板および導電パターンを備えた構造に基づくものであり、その導電パターンは、キャリア領域と、それらのキャリア領域を第１の端子に接続する第１の組のコンタクト経路と、第２の端子からコンタクト部分へ延びる第２の組のコンタクト経路とを含む。多孔質構造部材のアレイが、キャリア領域上に配列される。それぞれの多孔質構造部材は、作用電極、絶縁層、および、対向電極を備える。
【０００２】
本発明は、さらに、請求項１１の前文に記載された封止モノリシック電気化学システムを製造するための方法に関する。本発明は、とりわけ、上述したような構造を製造するための方法に関し、基板上に配列されたアレイとして配置された電気化学セルが、多孔質作用電極を含む多孔質構造部材と、作用電極の上部に配置されかつその作用電極と接触する多孔質絶縁層と、絶縁層の上部に少なくとも部分的に配置されかつその絶縁層と接触する多孔質対向電極とから形成される。それらの電極および絶縁層は、好ましくは、焼結によって形成される。
【背景技術】
【０００３】
モノリシック電気化学システムは、この分野においてこれまでに知られているものである。モノリシック電気化学システムは、作用電極と対向電極とが単一集積体として組み立てられた電気化学システムである。作用電極および対向電極は、多孔質絶縁材料から構成される中間層によって分離される。
【０００４】
作用電極および対向電極は、多孔質構造部材から構成され、電解液が、多孔質構造部材内に少なくとも部分的に満たされ、その多孔質構造部材は、作用電極を形成する層と、対向電極を形成する層と、対向電極を作用電極から分離する絶縁層とを備えたモノリシック構造である。
【０００５】
初期のモノリシック光電気化学システムの例が、国際特許出願第ＷＯ９７／１６８３８号に開示されており、そのシステムは、直列に接続された複数の光起電力セルのモノリシック組立品から構成される光起電力セルの電池に関するものである。
【０００６】
伝統的に、光電気化学システムは、第１の電極を備えた第１の基板と、第２の電極を備えた第２の基板とを含む。その第１の基板と第２の基板とは、電極がお互いに向き合いかつそれらの間にわずかな間隙ができるように配置される。間隙が所望の範囲内に存在する寸法を有することを保証するために、スペーサーが、基板を所定の距離だけ分離するのに使用されてもよい。電解液がセル同士をお互いに接続するのを防止するために、システムは、第１および第２の基板のエッジにおいて、また、電気的に接続された隣接するセル間において封止される。電極の全領域にわたるシステムの活性領域全体において均一な特性を有する光電気化学システムを製造するために、電極間の距離が狭い範囲内に維持されることが重要なことであり、このことは、製造するのを難しいものにする。電解液が隣接するセル同士をお互いに接続するのを防止するために、２つの基板の水平位置調整が、きわめて高い精度でなされなければならず、このことは、製造するのを難しいものにする。この伝統的なバイリシック（ｂｉｌｉｔｈｉｃ）型の光電気化学システムの欠点は、電解液が、一般的には、システムを組み立てた後に、注入されなければならないことである。電解液が注入される通路の開口は、電解液が漏れるのを防止するために、また、例えば水がセル内に侵入するのを防止するために、電解液が注入された後に、良好に封止されなければならない。独立した開口が、それぞれのセルごとに必要とされ、多くのセルを備えたシステムの場合、きわめて多数の開口を有することになり、このことは、製造するのを難しいものにする。
【０００７】
本質的に密閉された基板間の空間内に狭い通路を介して電解液を注入することは、システム内にエアポケットを形成することがあり、あるいは、電解液の不均一な分布をもたらすことがあり、これらのいずれもが、システムの品質を低下させる。
【０００８】
モノリシック電気化学システムは、きわめて小さくかつ簡単な設計構造を提供することが証明されており、第１の基板を第２の基板から所定の距離を置いて配置することを必要とせずに電気化学システムを組み立てるのを可能にする。この場合、電気化学システムは、基板に成膜された多層構造部材によって組み立てられてもよく、その後に、電気化学システムは、密閉される。光吸収染料および電解液は、好ましくは、電気化学システムを密閉する前に注入される。その構造部材は、柔軟性のあるシートの少なくとも１つのポリマー層によって適切に密閉されてもよく、そのポリマー層は、好ましくは、熱および準大気圧の存在下において、その構造部材に成膜される。
【０００９】
モノリシック光電気化学システムに関する実験は、たとえセルが同一基板上に同時に製造されたとしても、それらのセルが所定の同一の特性または所望の範囲内にある特性を有するようにモノリシック光電気化学セルのアレイを基板上に製造することは難しいことを証明している。単一光電気化学セルは、それの電流電圧特性を特徴とする。セルの電流電圧特性は、光強度および光スペクトルとともに変化する。光電気化学セルの電流電圧特性を表現する重要なデータは、短絡電流（Ｉｓｃ）、開放電圧（Ｕｏｃ）、および、測定に使用された特定の光条件下においてセルが提供することのできる最も大きなエネルギー出力である最適動作点（Ｐｍａｘ）である。曲線因子（ｆｉｌｌ−ｆａｃｔｏｒ  ：  ｆｆ）という用語が、しばしば、特性曲線をｆｆ＝Ｐｍａｘ／（Ｕｏｃ×Ｉｓｃ）として表現するのに使用される。共通基板上に配置された個々のセルの電流電圧特性の差を減少させるために、製造に関する要件は、益々、厳しいものになる傾向があり、より高い品質の化学成分純度、製造環境、および、製造プロセスが要求される。そのような基準は、製品をより一層高価なものにする。重要な例は、対向電極が絶縁層に部分的に侵入し、基板上の作用電極および／または中間導電層に接触し、エネルギー損すなわち共通基板上に存在する個々のセルの電流電圧特性の差を発生させるのを防止するために、作用電極、絶縁層、および、対向電極の成膜を完璧に制御しなければならないことである。このことは、さらに不可欠なこととなる。なぜなら、薄い絶縁スペーサー層は、２つの電極すなわち作用電極と対向電極との間に存在するレドックスカップル（ｒｅｄｏｘ−ｃｏｕｐｌｅ）含有電解液の拡散を容易にするので、最良のセル性能を得るためには、その薄い絶縁スペーサー層が、望ましいからである。
【００１０】
モノリシック光電気化学システムの多孔質対向電極は、１）対向電極を介した電子輸送中のエネルギー損を防止するために良好な導電体でなければならず、２）電解液に含まれるレドックスカップルのための良好な触媒でなければならず、かつ、３）基板上の中間導電層に対する良好な接着性を有しなければならない。モノリシック光電気化学システムに関する実験は、１つの対向電極材料においてこれらの３つの特性を兼備するのは難しいことを証明している。１つの多孔質対向電極材料においてこれらの３つの特性を兼備することを試みるとき、少なくとも１つは、多くの場合、十分に達成されず、エネルギー損すなわち低効率のモノリシック光電気化学システムをもたらしてきた。
【００１１】
モノリシック光電気化学システムにおける電極は、一般的には、例えば、スクリーン印刷プロセスにおいて、ペーストを選択的に成膜することによって形成され、そして、ペーストの有機残渣を焼き去り、かつ、多孔質電極の粒子同士を電気的に接触させるために、それらの電極が、焼結される。このことは、従来技術においては、１つの焼結プロセスにおいてなされ、その後に、電極層が、成膜された。モノリシック光電気化学システムに関する実験は、作用電極および対向電極の特性は焼結温度によって決まること、および、異なる層は異なる最適焼結温度を有することを証明している。
【発明の開示】
【００１２】
本発明の目的は、共通の基板上に配置された複数のセルを備えたモノリシック光電気化学システムを提供することであり、そのモノリシック光電気化学システムは、従来技術によるシステムと比較すれば、より厳しい要件を製造プロセスに課すことなく、改善された効率を有し、それによって、そのような電気化学システムの費用効果の高い製造を可能にする。
【００１３】
この目的は、請求項１の特徴部分に基づいた封止モノリシックシステムによって達成される。本発明は、基板上で複数の光電気化学セルを従来技術による解決方法による直列ではなく並列に接続することに基づくものである。
【００１４】
本発明は、以下の３つの見解に基づくものである。すなわち、
１）短絡電流および曲線因子は、個々のモノリシック光電気化学セルがたとえ同時に製造されたとしても、同一基板上のそれらのモノリシック光電気化学セル間で変化するが、開放電圧のばらつきは、そのようなセルごとにきわめて小さい。
２）セルの経時的な性能である長期安定度は、個々のモノリシック光電気化学セルがたとえ同時に製造されたとしても、同一基板上のそれらのモノリシック光電気化学セル間で変化する。個々のセルの差は、短絡電流および／または曲線因子の異なる変化として現れるが、開放電圧は、そのようセルごとにほぼ同じように変化する。
３）モノリシック光電気化学セルの一部分が、例えば、遮光によって、セルの残りの部分よりも小さい光強度にさらされるとき、セルの開放電圧は、一定のままであり、あるいは、ほんのわずかしか減少しない。他方において、セルの短絡電流は、より少ない光にさらされる面積に比例して減少する。これは、モノリシック光電気化学セルにおける短絡電流は、光強度に対して線形に増加するが、開放電圧は、光強度に対して対数的に増加するという事実によって部分的に説明することができる。しかしながら、実験における開放電圧の小さなばらつきは、予期されたものよりも小さく、システムの予期しない有益な品質を示した。
【００１５】
光電気化学システムにおける個々のセルが並列に接続されている場合、すなわち、セルの作用電極が第１の端子に接続され、かつ、対向電極が第２の端子に接続されている場合、システムの電流電圧特性は、端子における固有の電圧ごとにそれぞれのセルからの電流の和をとることによって与えられる。それとは対照的に、電気化学システムにおける個々のセルが直列に接続されている場合、すなわち、セルの対向電極が別のセルの作用電極に接続されている場合、システムの電流電圧特性は、セルを流れる電流ごとにそれぞれのセルにおける電圧の和をとることによって与えられる。製造日からかなり経過し、あるいは、セルの様々な経時的変化のために、同一基板上に製造されたモノリシック光電気化学セルは、変化する短絡電流および曲線因子の観点において、異なる電流電圧特性を有するという本発明者の見解の結果として、エネルギー損、すなわち、システム内に存在するそれぞれのセルの最大出力の和に関連するシステムの最大出力は、そのようなセルを並列に接続すれば、直列に接続するよりも小さくなるはずであり、すなわち、そのようなセルの並列接続の最適動作点は、直列接続よりも大きくなるはずである。本発明者による実験は、並列に配置されたセルによって電流電圧特性においてそのようなばらつきを備えたモノリシック光電気化学システムは、直列に配置されたそのようなセルを備えた光電気化学システムよりも効率的であることを確認している。共通基板上に存在する個々のセルの特性の差を減少させるためにより複雑な製造方法を開発する代わりに、本発明者は、従来技術による解決方法において提案されているような直列ではなく並列にセルを配置することを提案した。
【００１６】
直列に接続された光電気化学セルのアレイ内の１つかまたはいくつかのセルが、その他のセルよりも小さい短絡電流を有するがその他のセルとほぼ同じ開放電圧を有する場合、そのような整合しないセルは、その整合しないセルの短絡電流よりも大きな電流において動作させられるかもしれない。したがって、それらのセルは、負バイアスで動作し、エネルギーを浪費する。並列接続システムにおいては、そのような状態は、存在しない。なぜなら、システムの電流電圧特性は、電流電圧特性の電圧レベルごとにそれぞれのセルに流れる電流の和によって与えられるからである。それとは対照的に、並列に接続された光電気化学セルのアレイ内の１つかまたはいくつかのセルが、その他のセルよりも小さい開放電圧を有するがその他のセルとほぼ同じ短絡電流を有する場合、小さい開放電圧を備えたセルは、整合しないセルの開放電圧よりも大きな電圧において、並列接続セルを備えたシステムにおいて動作させられるかもしれない。したがって、それらのセルは、負電流で動作し、エネルギーを浪費するかもしれない。直列接続システムにおいては、そのような状態は、存在しない。なぜなら、システムの電流電圧特性は、それぞれのセルを流れる電流ごとにそれらのセルにおける電圧の和をとることによって与えられるからである。製造日からかなり経過し、あるいは、セルの様々な経時的変化のために、同一基板上に製造されたモノリシック光電気化学セルは、変化する短絡電流および曲線因子の観点において、異なる電流電圧特性を有するがきわめて類似する開放電圧を有するという本発明者の見解の結果として、セルがエネルギーを浪費する状態は、並列接続システムにおいては、直列接続システムよりもきわめてまれにしか発生しないはずである。
【００１７】
光電気化学システムが、光を電気エネルギーに変換するために、屋外に設置される場合、一時的に、共通基板上に配置されたソーラセルの一部は陰に置かれ、残りの部分は直射日光に曝される可能性がある。セルが部分的にかまたは完全に遮光されたときに開放電圧は一定であるかまたはほんのわずかしか減少しないという本発明者の見解の効果によれば、セルの並列接続は、直列に接続されたセルと比較すれば、同一基板上にセルのアレイを備えたモノリシック光電気化学システムが部分的に遮光された状態において、エネルギー損をほとんどもたらさないはずである。このことが、接続されたセルのアレイ内の１つかまたはいくつかのセルを部分的に遮光した場合、個々のセルによって生成されるより多くのエネルギーは、セルが直列に接続されている場合と比較して、セルが並列に配置されていれば、接続されたセルを含むシステムの出力として有効なものであることを確認する実験を本発明者に実行させた。
【００１８】
さらにまた、セルが共通基板上で直列に接続され、そのセルが光を電気エネルギーに変換するためのデバイスとして使用される光電気化学システム内のただ１つのセルまたはいくつかのセルが、少なくとも部分的に陰に置かれる場合、または、セルの１つかまたはいくつかが、セルの製造元の違いのために、あるいは、セルの異なる老化のために、その他のセルよりも小さい短絡電流を有する場合、システムが、このまたはこれらのセルの短絡電流よりも大きな電流で動作させられるとき、電流は、逆バイアスすなわち負極性において、このまたはこれらのセルを流れるはずである。これは、セルの劣化をもたらすかもしれず、システムの効率を減少させる。なぜなら、エネルギーは、逆バイアスにおいてセルで浪費されるからである。セルが並列に接続されたモノリシック光電気化学システムにおいては、この問題が発生する可能性は、本発明者の以下の３つの見解のために、きわめて小さい。すなわち、１）部分的に遮光されたモノリシック光電気化学セルの開放電圧は、一定のままであり、あるいは、遮光されない状態と比較すれば、わずかに減少する。２）開放電圧は、共通基板上に製造されたセルの場合、ほぼ一定である。３）同一基板上に製造されたセルの開放電圧は、短絡電流よりもきわめて一様に変化する。この結果として、セルが直列に接続される場合と比較すれば、セルが並列に配置される場合、セルが部分的な遮光のために逆バイアスで動作することをより効果的に回避することができ、システムのより大きな出力電力およびより長い寿命が得られる。
【００１９】
好ましい実施形態が、従属請求項に開示される。
【００２０】
対向電極は、端子まで延びるコンタクト経路まで下方へ延びかつそのコンタクト経路に接触する第１の端部を有する。第１のとりわけ好ましい実施形態の構成部分においては、対向電極は、対向電極の残りの部分とは異なる組成を有するコンタクト層を含み、そのコンタクト層は、第１の端部に配置され、かつ、それらのコンタクト経路に接続されたコンタクト部分に接触した状態にある。コンタクト層は、対向電極の残りの部分とは異なる特性を有する。コンタクト層を形成する材料は、対向電極の残りの部分を形成するために選択された材料よりも良好にコンタクト部分および／または基板に接着するように選択される。
【００２１】
２つの異なる焼結プロセスにおいて作用電極および対向電極を焼結することによって、それぞれの電極のための焼結プロセスを最適化することができる。好ましくはＴｉＯ２組成によって形成された作用電極のための焼結プロセスは、好ましくは、約４５０℃の温度でなされ、好ましくは炭素から構成される対向電極のための焼結プロセスは、約３９０℃の温度でなされる。炭素の対向電極を低い温度で焼結することによって、きわめて小さい抵抗を有する対向電極が、得られる。これは、モノリシック光電気化学セルにおける対向電極を介した電子輸送によって発生するより小さいエネルギー損をもたらし、したがって、より大きなセル効率をもたらす。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態においては、対向電極は、対向電極のためのコンタクト層が第１のステップにおいて付加されかつ対向電極の残りの部分が第２のステップにおいて付加される第１および第２のプロセスステップにおいて基板上に成膜される。コンタクト層を挿入することによって、対向電極の残りの部分の導電性に悪影響を及ぼすことなく、対向電極とコンタクト経路および／または基板との間に大きな接着性を達成することができる。
【００２３】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態をより詳細に説明する。
【００２４】
説明される図面は、概略的なものでしかなく、また、本発明を限定するものではない。図面において、いくつかの構成要素の寸法は、わかりやすいように、誇張され、また、正確な縮尺で描写されていないことがある。とりわけ、キャリア領域、対向電極、絶縁層、および、作用電極を含む複数の層の厚さの寸法は、それぞれの層の横幅と比較すれば、著しく誇張されている。
【発明の実施形態】
【００２５】
図１は、モノリシック電気化学システム１のための基板２を示す。適切な基板が、この分野において良く知られており、好ましくは、ガラスまたはプラスチック材料から製造されてもよい。基板は、導電パターン３を備え、その導電パターン３は、作用電極１２を支持するように配置されたキャリア領域４と、対向電極１４に接続されたコンタクト部分１０と、それらのキャリア領域４を第１の端子６に接続する第１の組のコンタクト経路５と、それらのコンタクト部分１０を第２の端子８に接続する第２の組のコンタクト経路７とを含む。導電パターン３は、構造化パターンの形で、導電材料から構成される中間層内に提供されてもよい。電気化学システムを製造するのに適した中間層は、この分野において良く知られている。基板と導電材料から構成されるパターンとは、レーザ構造化ＴＣＯガラス板（例えば、Ｈａｒｔｆｏｒｄ  Ｇｌａｓｓから市販されているＴＥＣ  １５  Ｏｈｍ／ｓｑｕａｒｅ）として適切に提供されてもよい。図１に示される基板において、導電パターンは、全体的に、中間導電材料から構成される構造化パターンによって構成される。また、導電材料から構成されるパターンは、図１３ａ、図１３ｂ、図１４、図１５ａ、および、図１５ｂに関連して説明される実施形態に示されるように、作用電極の上部かまたは対向電極の上部に配置された導電コンタクト部分を含んでもよい。
【００２６】
図１に示される例においては、中間層は、キャリア領域４を形成する第１および第２の長方形部分を含む。キャリア領域４間には、コンタクト部分１０を形成する導電領域と第２の組のコンタクト経路７の一部分とが存在する。導電領域は、外部の電気回路に接続するための第２の端子８まで延びる。さらにまた、キャリア領域は、第１の端子６まで延びる第１の組のコンタクト経路５の一部分を形成する拡張部を備える。この例において、コンタクト部分１０と第２の端子６まで延びるコンタクト経路７との分離は、まったく仮想的なものである。なぜなら、コンタクト経路およびコンタクト領域の両方は、中間層内に形成された単一の途切れのない領域の一部分を形成するからである。さらにまた、キャリア領域４と第１の端子６まで延びるコンタクト経路５との分離は、まったく仮想的なものである。なぜなら、コンタクト経路およびキャリア領域の両方は、中間層内に形成された単一の途切れのない領域の一部分を形成するからである。これらの領域は、例えば一般的な方法によるレーザ構造化または化学エッチングによって中間層を選択的に除去することによって、あるいは、例えばスクリーン印刷によって中間層を選択的に塗布することによって、形成されてもよい。
【００２７】
図２は、図１に示される基板の線分Ａ−Ａに沿った断面図を示す。基板２は、導電パターン３を備え、その導電パターン３は、基板上に配置された導電材料から構成される構造化中間層によって形成される。キャリア領域４と第１のコンタクト経路５の一部分との仮想的な分離、および、コンタクト部分１０と第２の組のコンタクト経路７の一部分との仮想的な分離が、示される。コンタクト部分１０と第２のコンタクト経路７とは導電材料から構成される連続的な途切れのない層から製造されるという意味において、分離は、仮想的なものである。同じ意味で、キャリア領域４と第１の組のコンタクト経路５との間の分離は、仮想的なものである。なぜなら、キャリア領域４および第１の組のコンタクト経路５は、導電材料から構成される連続的な途切れのない層から製造されるからである。キャリア領域４とコンタクト部分１０とは、間隙９によって分離される。
【００２８】
図３には、図１に示されるように基板上に組み立てられたモノリシック光電気化学システム１が、示される。モノリシック光電気化学システム１は、基板２上に配列された多孔質構造部材１１１〜１１２ｎのアレイを含む。図３に示される光電気化学システムにおいては、アレイは、２つの多孔質構造部材から構成されるアレイとして例示される。実際には、横に並べて配置されかつ基板の幅の全体にかまたはかなりの部分に沿って延びる多孔質構造部材から構成される少なくとも１つの行を配置することが望ましい。そのような構造部材の実施形態が、図１３に示される。図３に示されるシステムの線分Ｂ−Ｂに沿った断面図である図４に示されるように、それぞれの多孔質構造部材１１は、作用電極１２と、絶縁層１３と、対向電極１４とを備える。光電気化学セルを形成するために、電解液が、多孔質構造部材１１内に少なくとも部分的に満たされる。作用電極１２は、キャリア領域の上部に配置される。絶縁層１３は、作用電極の上部に配置され、絶縁層の上部に配置された対向電極１４に作用電極が接触するのを防止する。対向電極１４、絶縁層１３、および、作用電極１２は、すべて、集積モノリシック多孔質構造部材として形成された多孔質ナノ構造材料によって形成される。
【００２９】
絶縁層１３は、第１の端部１６を有し、その第１の端部１６は、下方に延び、かつ、キャリア領域４と第２の組のコンタクト経路７のコンタクト部分１０との間に存在する間隙９に接触してもよく、それによって、作用電極は、第２の組のコンタクト経路から絶縁される。コンタクト部分１０は、対向電極１４を第２の組のコンタクト経路に電気的に接続する。作用電極または光電極１２が、基板の表面領域のできるだけ広い部分を被覆し、それによって、光電気化学システムが、できるだけ大きなデバイス領域から光を吸収するのを可能にするために、コンタクト経路７およびコンタクト部分１０の幅は、できるだけ小さいものでなければならない。
【００３０】
対向電極１４は、第１の端部１７を有し、その第１の端部１７は、下方に延び、かつ、第２の組のコンタクト経路７のコンタクト部分１０に接触し、それによって、対向電極１４は、第２の組のコンタクト経路７に電気的に接触した状態にある。本発明の好ましい実施形態においては、端部１７は、対向電極１４の残りの部分とは異なる組成を有するコンタクト層１８を含む。その異なる組成は、対向電極の残りの部分よりも強力にコンタクト部分１０に接着するように選択される。一実施形態においては、異なる組成は、対向電極の残りの部分よりも大きな含有量のカーボンブラックを含む組成として選択される。好ましい実施形態においては、コンタクト層における含有量は、カーボンブラック１および黒鉛４の割合であり、対向電極の残りの部分における含有量は、カーボンブラック１および黒鉛２５の割合であるように選択される。さらに、対向電極は、プラチナのような添加物による改善された触媒作用を有してもよい。したがって、コンタクト部分１０は、対向電極に接触する導電パターンの一部分である。キャリア領域４は、作用電極１２に接触する導電パターンの一部分である。
【００３１】
また、対向電極がコンタクト経路により強力に接着することを保証しなければならないことは、基板上に配置された単一セルを有する電気化学システムにとって、または、共通基板上に直列に配置された複数のセルを有する電気化学システムにとって、重要なことである。この概念を利用する電気化学システムは、一般的に、電気的絶縁基板と、その基板上に配置された導電パターンとを備え、その導電パターンが、少なくとも１つのキャリア領域と、その少なくとも１つのキャリア領域を第１の端子に接続する第１の組のコンタクト経路と、第２の端子からそれらの少なくとも１つのキャリア領域へ延びかつキャリア領域と第２の組のコンタクト経路のコンタクト部分との間に間隙を残すその第２の組のコンタクト経路とを含む封止モノリシック電気化学システムとして表現されてもよく、少なくとも１つの多孔質構造部材が、その少なくとも１つのキャリア領域上に配置され、その少なくとも１つの多孔質構造部材は、作用電極と、絶縁層および対向電極と、少なくとも１つの電気化学セルを形成するためにその少なくとも１つの多孔質構造部材内に少なくとも部分的に満たされた電解液と、その基板上に配置されかつその少なくとも１つの多孔質構造部材を被覆する封止材料とを備え、その対向電極は、その第２の組のコンタクト経路のそのコンタクト部分まで下方へ延びかつそのコンタクト部分に接触する第１の端部を有し、それによって、対向電極は、第２の組のコンタクト経路に接触し、その端部は、対向電極の残りの部分とは異なる組成を有するコンタクト層を含む。
【００３２】
基板上に配置された単一セルを有する電気化学システムのような、または、共通基板上に直列にかまたは並列に配置された複数のセルを有する電気化学システムのようなあらゆる種類の電気化学システム、それらのシステムはコンタクトにより強力に接着する対向電極を備えるが、を製造するための適切な方法は、
ａ）キャリア領域（４）を含む導電パターンを基板（２）上に形成するステップと、
ｂ）作用電極（１２）を形成するために、半導体材料によってそれぞれのキャリア領域（４）を少なくとも部分的に被覆するステップと、
ｃ）作用電極（１２）を形成することを意図したその半導体材料を、それぞれの作用電極と対向電極（１４）との間に絶縁層（１３）を形成することを意図した絶縁材料によって被覆するステップと、
ｄ）その絶縁材料を、コンタクト部分（１０）に結合された対向電極（１４）を形成することを意図した導電材料によって少なくとも部分的に被覆するステップと、
によってもたらされてもよく、それらの対向電極（１４）を形成するステップｄ）は、その対向電極（１４）をコンタクト部分（１０）に接着させるように配置されたコンタクト材料（１８）を付加する第１のステップｄ１）と、その対向電極（１４）の残りの部分を形成するために導電材料を付加する第２のステップｄ２）とを含む。
【００３３】
電解液は、それらの多孔質構造部材１１１、．．．、１１２ｎ内に少なくとも部分的に満たされ、それによって、複数の電気化学セルが、形成される。電解液は、多孔質構造部材内への吸収によって、例えば、計量分配または印刷プロセスによって、注入されてもよい。
【００３４】
図４に示されるように、封止材料１５は、多孔質構造部材１１１、．．．、１１２ｎのアレイを被覆する。セルのエンキャプスレーションは、好ましくは、Ｓｕｒｌｙｎ（登録商標）のような熱可塑性材料またはＥＶＡＳＡＦＥ（登録商標）のような熱硬化性樹脂をシーラントとして塗布することによって、そして、国際特許出願第ＷＯ０１／９７２３７号に記載されるような真空／加熱プロセスを利用することによって、実行されてもよい。例えば、いわゆるガラスフリット（ｇｌａｓｓ−ｆｒｉｔ）のような、セルのその他の種類のエンキャプスレーションも可能である。典型的には、これらの材料は、例えば、スクリーン印刷によって、第２の基板上に塗布され、モノリシック光電気化学セルを被覆するために、モノリシック光電気化学システムを備えた基板へ配置され、そして、４００℃を超える温度で焼結される。
【００３５】
好ましくは、キャリア領域４は、形状が長方形であってもよい。好ましくは、第２の組のコンタクト経路７のコンタクト部分１０は、基本的には、キャリア領域の一方の辺の端から端まで延びるように形成される。
【００３６】
本発明のすべての実施形態に示される電気化学セルは、並列に接続されたセルを有する。これは、複数の作用電極を備えたキャリア領域が第１の端子に直接に接続されること、および、複数の対向電極を接続するコンタクト部分が第２の端子に直接に接続されることを意味する。
【００３７】
図３および図４に示されるように、多孔質構造部材１１１、．．．、１１２ｎのアレイは、キャリア領域４上に配置される。それぞれの多孔質構造部材１１は、作用電極１２と、絶縁層１３と、対向電極１４とを備える。作用電極、絶縁層、および、対向電極のための適切な材料は、この分野において良く知られている。電解液は、多孔質構造部材内に少なくとも部分的に満たされる。
【００３８】
図４に示されるように、また、図４ａに示される図４の部分Ｃの拡大図に示されるように、対向電極１４は、第１の端部１７を有し、その第１の端部１７は、第２の組のコンタクト経路７のコンタクト部分１０まで下方へ延び、そのコンタクト部分１０に接触し、それによって、対向電極１４は、第２の組のコンタクト経路に電気的に接触した状態にある。したがって、対向電極は、絶縁層の上部に配置された基本的に平坦な上部２０と、絶縁層のエッジ２２を被覆しかつキャリア領域４とコンタクト部分１０との間に存在する間隙９まで下方へ延びかつその間隙９に接触する屈曲した第１の端部１７とによって構成される。
【００３９】
本発明の好ましい実施形態においては、端部１７は、対向電極１４の残りの部分とは異なる組成を有するコンタクト層１８を含む。異なる組成は、対向電極の残りの部分よりも強力にコンタクト部分１０に接着するように選択される。一実施形態においては、異なる組成は、対向電極の残りの部分よりも大きな含有量のカーボンブラックを含む組成として選択される。好ましい実施形態においては、コンタクト層における含有量は、カーボンブラック１および黒鉛４の割合であり、対向電極の残りの部分における含有量は、カーボンブラック１および黒鉛２５の割合であるように選択される。さらに、対向電極の残りの部分は、その部分の触媒活性を増大させるために、白金めっきされてもよい。
【００４０】
また、対向電極がコンタクト経路により強力に接着することを保証しなければならないことは、基板上に配置された単一セルを有するモノリシック電気化学システムにとって、または、共通基板上に直列に配置された複数のセルを有する電気化学システムにとって、重要なことである。この概念を利用する電気化学システムは、一般的に、電気的絶縁基板と、その基板上に配置された少なくとも１つの多孔質構造部材とを備えた封止モノリシック電気化学システムとして表現されてもよく、その少なくとも１つの多孔質構造部材は、作用電極と、絶縁層および対向電極と、少なくとも１つの電気化学セルを形成するためにその少なくとも１つの多孔質構造部材内に少なくとも部分的に満たされた電解液と、その基板上に配置されかつその少なくとも１つの多孔質構造部材を被覆する封止材料とを備え、その対向電極は、一組のコンタクト経路のコンタクト部分まで下方へ延びかつそのコンタクト部分に接触する第１の端部を有し、それによって、対向電極は、一組のコンタクト経路に電気的に接続され、その端部は、対向電極の残りの部分とは異なる組成を有するコンタクト層を含む。
【００４１】
少なくとも１つの電気化学セルは、好ましくは、基板上に配置された導電材料から構成される中間層を介して、端子に接続される。中間層は、好ましくは、少なくとも１つのキャリア領域と、その少なくとも１つのキャリア領域を第１の端子に接続する第１の組のコンタクト経路と、第２の端子からその少なくとも１つのキャリア領域へ延びかつキャリア領域と第２の組のコンタクト経路のコンタクト部分との間に間隙を残すその第２の組のコンタクト経路とを含むパターンとして形成されてもよい。
【００４２】
図５には、導電パターン３の第２の実施形態が、示される。この実施形態においては、導電パターンは、図１に示される実施形態の場合と同じようにして形状を与えられた構造化導電中間層２４を含む。構造化中間導電層２４は、キャリア領域４と、キャリア領域４を第１の端子６に接続する第１の組のコンタクト経路５と、コンタクト部分１０と、コンタクト部分１０を第２の端子８に接続する第２の組のコンタクト経路７とを含む。第１および第２の組のコンタクト経路５、７における損失を減少させるために、これらの経路は、中間導電層を形成する第１の材料よりも小さな抵抗率を有する高い導電性を有する材料から構成される導電体２６を含む。導電体は、好ましくは、例えば、銀、銅、アルミニウム、または、それらの金属から製造された何らかの合金のような、金属から製造される。好ましい実施形態においては、導電体２６は、銀から製造され、中間導電層は、ＦｌをドープしたＳｎＯ２から製造される。導電体のその他の選択肢は、すべての良好な導電性を有する材料である。中間導電層のその他の選択肢は、例えば、Ｓｎをドープした酸化インジウム（ＩＴＯ）またはドープした酸化亜鉛である。好ましくは、導電体２６および中間層２４は、光電気化学システムの多孔質構造部材内に少なくとも部分的に満たされた電解液に対して化学的に融和性のあるもの（ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ  ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ）である。このようにして、導電体２６および中間層２４は、劣化する恐れを伴うことなく、電解液にさらされてもよい。電解液と導電体２６との間の化学的非融和性は、デバイス性能の経時的な劣化をもたらし、寿命を減少させる。光電気化学セルにおける一般的な電解液は、多くの場合に有機溶剤中に溶かされたレドックスカップルヨウ化物／三ヨウ化物を含む。しかしながら、その他のレドックスカップルおよび様々な電解液が、使用されてもよく、したがって、含まれてもよい。典型的なヨウ化物／三ヨウ化物含有電解液と化学的に融和性のある導電体２６は、例えば、チタンおよびニッケルである。しかしながら、お互いに化学的に融和性のある電解液と導電体とのあらゆるその他の組み合わせが、含まれる。
【００４３】
一般的には、上で開示された方法は、電気的絶縁基板と、作用電極を支持するように配置されたキャリア領域を含む導電パターンとを備えた封止モノリシック光電気化学システムの製造を考慮したものであり、そのシステムは、さらに、その基板上に配列された多孔質構造部材のアレイを備え、それぞれの多孔質構造部材は、作用電極と、絶縁層と、対向電極と備え、複数の電気化学セルを形成するために、電解液が、それらの多孔質構造部材内に少なくとも部分的に満たされ、エンキャプスレーションが、その多孔質構造部材のアレイを被覆し、それぞれがセルを形成する複数の多孔質構造部材を備えた基板の場合には、作用電極によって被覆された活性領域が、基板の総面積の７０％以上を被覆する。より詳細には、導電体２６および中間層２４が、光電気化学システムの多孔質構造部材内に少なくとも部分的に満たされた電解液に対して化学的に融和性のあるものであれば、あるいは、中間層２４が、電解液に対して化学的に融和性のあるものであり、それと同時に、導電体２６が、図１３ａ、図１３ｂ、図１５ａ、および、図１５ｂに示されるように、中間層によって被覆されるならば、作用電極によって被覆された活性領域は、それぞれがセルを形成する複数の多孔質構造部材を備えた基板ごとに、基板の総面積の９０％以上を被覆することができる。
【００４４】
システムは、さらにまた、対向電極に接続されたコンタクト部分を含む。システムは、好ましくは、並列に接続されたセルを有してもよく、それによって、第１の組のコンタクト経路は、それらのキャリア領域を第１の端子に接続し、そして、第２の組のコンタクト経路は、それらのコンタクト部分を第２の端子に接続する。
【００４５】
第１の組のコンタクト経路５における導電体２６は、基部３２からキャリア領域４の側部に沿って延びる第１の拡張部２８および最後の拡張部３０を有する。第２の組のコンタクト経路における導電体は、キャリア領域４上に成膜されたセルの長さ方向にコンタクト部分１０に沿って延びかつコンタクト部分１０に接続された中間拡張部３４を備える。
【００４６】
図６は、図５に示される基板の線分Ｄ−Ｄに沿った断面図を示す。導電体２６は中間導電層２４の上部に配置されていることが示される。
【００４７】
図７には、キャリア領域４を備えた中間導電層２４、コンタクト部分１０、および、第１および第２の導電経路５、７が、示され、基板２および導電体は、取り除かれている。この中間層２４は、第１の実施形態の導電パターンとして使用されてもよい。図５に示される第２の実施形態においては、図８に示される形状を有する導電体２６は、中間層の上部に配置される。
【００４８】
図９には、基板２上に配置された導電パターン３の第３の実施形態が、示される。この実施形態においては、導電体２６が導電体２６の全長に沿った中間導電層２４上に配置される第２の実施形態とは対照的に、導電体２６は、キャリア領域４およびコンタクト部分に電気的に接触する目的だけのために、中間層２４に接続される。このために、中間層は、第１のコンタクト領域３６を形成するキャリア領域４からわずかに外側へ延び、また、第２のコンタクト領域４０を形成するコンタクト部分１０からわずかに外側へ延びる。好ましくは、第１のコンタクト領域３６は、好ましくは細長いキャリア領域４のエッジからそれらのキャリア領域４の長さ方向へ延びる。好ましくは、第２のコンタクト領域４０は、好ましくは細長いコンタクト部分１０のエッジからそのコンタクト部分１０の長さ方向へ延びる。その結果として、２つの隣接するセルは、それらのセル間に配置された共通導電体２６を有し、中間層２４のコンタクト部分１０を形成する部分は、図１０に示されるように、それらの間に間隙４２を有する第１および第２の部分４０に分割されてもよく、その間隙は、導電体によってブリッジされ、あるいは、好ましくは、連続的な帯のような形状を与えられ、その帯の上に、導電体が、配置される。図９に示される実施形態は、導電体２６の長さの一部分に沿った中間層に接触することなく、例えば、基部３２に沿った中間層に接触することなく、基板上に直接に載置された導電体２６を有する。図９に示される実施形態は、図１０あるいは図１１に示されるようなキャリア領域４を備えた中間層２４と、第１および第２のコンタクト領域３６、４０と、コンタクト部分１０とから構成されてもよく、その中間層は、基板２上に配置される。図１１においては、第２のコンタクト領域は、間隙によって分離されていない。また、導電体は、図８に示されるように、基板および中間層の上部に配置されてもよい。
【００４９】
図１２ａおよび図１２ｂは、図９に示される基板の線分Ｅ−Ｅおよび線分Ｆ−Ｆに沿った断面図を示す。これらの図面は、導電体が、キャリア領域およびコンタクト部分１０のそれぞれに接続するために、中間層上に部分的に載置されていること、および、導電体が、基板２上に部分的に直接に載置されていることを示す。断面Ｆ−Ｆにおいて、端子まで延びる基部３０は、基板上に直接に載置されていることがわかる。Ｅ−Ｅにおける断面から、導電体は、キャリア領域およびコンタクト部分を端子まで延びる導電体に接続するために、それらのキャリア領域およびコンタクト部分に隣接するコンタクト領域上に配置されていることがわかる。
【００５０】
また、図１３ａに示されるように、導電体は、中間層の下方に配置されてもよく、それにもかかわらず、その中間層に電気的に接触している。これは、導電体を保護するのを可能にし、それによって、システムの輪郭に沿ってエンキャプスレーションするだけでよい。なぜなら、電解液が導電体に接触する恐れがないからである。この場合には、封止光電気化学システム１は、電気的絶縁基板２と、導電パターン３とを備え、その導電パターンは、作用電極１２を支持するように配置されたキャリア領域４と、対向電極１４に接続されたコンタクト部分１０と、それらのキャリア領域４を第１の端子６に接続する第１の組のコンタクト経路５と、それらのコンタクト部分１０を第２の端子８に接続する第２の組のコンタクト経路７とを含み、システムは、さらにまた、その基板２上に配列された多孔質構造部材（１１１〜１１２ｎ）のアレイを備え、それぞれの多孔質構造部材１１は、作用電極１２と、絶縁層１３と、対向電極１４とを備え、複数の電気化学セルを形成するために、電解液が、それらの多孔質構造部材（１１１〜１１２ｎ）内に少なくとも部分的に満たされ、エンキャプスレーションが、その多孔質構造部材（１１１〜１１２ｎ）のアレイを被覆する。さらにまた、第１および第２の組のコンタクト経路５、７は、それらの複数の電気化学セルを並列に接続している。図１３ａに示される実施形態においては、基板上に存在する左側セルおよび右側セルの対向電極１４は、間隙Ｇによって分離され、その間隙Ｇは、コンタクト部分１０まで下方へ延びる。したがって、この場合には、一組のコンタクト経路５および７は、高い導電性を有する材料から構成される導電体２６を含み、それらの導電体は、中間層２４の下方に配置される。この実施形態においては、コンタクト部分１０は、対向電極の導電体２６の上部に少なくとも部分的に存在する中間層２４から構成される。したがって、導電パターンは、キャリア領域４を含む構造化中間層２４と、コンタクト部分１０と、第１および第２の組のコンタクト経路５、７とから構成される。この場合には、図１３ｂに示されるように、２つの隣接するセルの対向電極１４は、１つの連続的な層として接続されてもよい。したがって、図１３ｂに示される実施形態による連続的な対向電極１４は、２つかまたはそれ以上のキャリア領域上に延び、好ましくは、共通基板を共有するすべてのキャリア領域上に延びる。中間層２４は、電解質溶液にさらされるようになっており、例えば、これらの２つの材料は、化学的に融和性のあるものである。そのような材料の例は、ＦをドープしたＳｎＯ２である。導電体２６は、構造化中間層２４によって電解液から保護されるので、導電体２６は、電解質溶液に対して化学的に融和性のあるものであってはならない。導電体のための好ましい材料は、銀であるが、十分に良好な導電性を有するあらゆる材料が、使用されてもよい。
【００５１】
図１３ａおよび図１３ｂに示される実施形態においては、導電体２６は、それらの導電体を被覆する中間層２４によって、電解液から保護される。したがって、電解液から電極を保護するための封止を構成しなくてもよく、その結果として、電極２６は、当然ながら、電解液に対して化学的に融和性のない材料、すなわち、使用中に電解液によって劣化する材料から製造される。
【００５２】
図１３ａおよび図１３ｂにおいては、第１の組の電流経路５における高い導電性を有する材料から構成される導電体２６は、作用電極１２の隣に配置される。しかしながら、これらの導電体は、また、作用電極の小さな部分の下方に配置されてもよい。したがって、この場合には、作用電極は、キャリア領域上と、それらの導電体の上部に存在する中間層上との両方に成膜され、その結果として、作用電極は、２つの隣接するセルのための１つの連続的な層から構成される。さらに、導電体は、作用電極からの電流収集を改善するために、導電体から例えば垂直に作用電極まで延びる枝を含んでもよい。
【００５３】
図１４に示されるように、導電体が、セルコンポーネントとりわけ電解液に対して化学的に融和性を有するものであれば、対向電極の導電体は、対向電極の上部に配置されかつ対向電極に接触した状態で配置されてもよい。これは、さらなるエネルギー損を伴うことなく、より広いセルを可能にし、したがって、システムにおいてより大きな割合を有する活性作用電極領域を可能にする。この場合には、コンタクト部分は、対向電極の上面の一部分から構成されてもよい。
【００５４】
この場合には、封止光電気化学システム１は、電気的絶縁基板２と、導電パターン３とを備え、その導電パターンは、作用電極１２を支持するように配置されたキャリア領域４と、対向電極１４に接続されたコンタクト部分１０と、それらのキャリア領域４を第１の端子６に接続する第１の組のコンタクト経路５と、それらのコンタクト部分１０を第２の端子８に接続する第２の組のコンタクト経路７とを含み、システムは、さらにまた、その基板２上に配列された多孔質構造部材（１１１〜１１２ｎ）のアレイを備え、それぞれの多孔質構造部材１１は、作用電極１２と、絶縁層１３と、対向電極１４とを備え、電解液が、複数の電気化学セルを形成するために、それらの多孔質構造部材（１１１〜１１２ｎ）内に少なくとも部分的に満たされ、エンキャプスレーションが、その多孔質構造部材（１１１〜１１２ｎ）のアレイを被覆する。ここで、第１および第２の組のコンタクト経路５、７は、それらの複数の電気化学セルを並列に接続している。したがって、図１４に示される例においては、電流経路５は、中間層２４の上部に導電体２６を含む。しかしながら、電流経路５を実現するためのすべての説明された実施形態が、この場合に使用されてもよい。第２の組の電流経路７は、対向電極１４の上面に配置され、導電体２６を含む。作用電極１２は、この場合には、より広いものであることが可能である。なぜなら、コンタクト部分１０、電流経路７、および、対向電極１４の導電体２６は、対向電極１４の上部に配置されるので、２つの隣接するセル間の間隙は、必要とされないからである。したがって、導電パターン３は、この場合には、対向電極１４の上面に存在するコンタクト部分１０および第２の組のコンタクト経路７と、基板上に存在するキャリア領域４および第１の組のコンタクト経路５とを含む。ここで、導電パターンは、構造化単一中間層２４から製造されるのではなく、システムのその他の部分も含む。
【００５５】
一組のコンタクト経路５および７が、光電気化学セルの多孔質構造部材内に少なくとも部分的に満たされる電解液に対して化学的に融和性を有する高い導電性を有する材料から構成される導電体２６を含む場合には、多孔質構造部材（１１１〜１１２ｎ）のアレイは、図１５ａに示されるように、きわめて近接してパッケージされてもよい。電解液と導電体２６との間の化学的非融和性は、デバイス性能の経時的な劣化をもたらし、寿命を減少させる。光電気化学セルにおける一般的な電解液は、多くの場合に溶剤中に溶かされたレドックスカップルヨウ化物／三ヨウ化物を含む。しかしながら、その他のレドックスカップルおよび様々な電解液が、使用されてもよく、したがって、含まれてもよい。典型的なヨウ化物／三ヨウ化物含有電解液と化学的に融和性のある導電体２６は、例えば、チタンおよびニッケルである。しかしながら、お互いに化学的に融和性のある良好な導電体と電解液とのあらゆるその他の組み合わせが、含まれる。この場合には、封止光電気化学システム１は、電気的絶縁基板２と、導電パターン３とを備え、その導電パターンは、作用電極１２を支持するように配置されたキャリア領域４と、対向電極１４に接続されたコンタクト部分１０と、それらのキャリア領域４を第１の端子６に接続する第１の組のコンタクト経路５と、それらのコンタクト部分１０を第２の端子８に接続する第２の組のコンタクト経路７とを含み、システムは、さらにまた、その基板２上に配列された多孔質構造部材（１１１〜１１２ｎ）のアレイを備え、それぞれの多孔質構造部材１１は、作用電極１２と、絶縁層１３と、対向電極１４を備え、電解液が、複数の電気化学セルを形成するために、それらの多孔質構造部材（１１１〜１１２ｎ）内に少なくとも部分的に満たされ、そして、エンキャプスレーションが、その多孔質構造部材（１１１〜１１２ｎ）のアレイを被覆する。ここで、第１および第２の組のコンタクト経路５、７は、それらの複数の電気化学セルを並列に接続している。このデバイス構造は、より高いデバイス効率をもたらす。なぜなら、より多くのデバイス表面を光吸収に使用することができるからである。図１５ａに示されるように、対向電極１４は、導電体２６上に直接に成膜されてもよい。この場合には、コンタクト部分１０は、導電体２６の上部から構成される。また、対向電極１４は、図１５ｂに示されるように、導電体２６の隣の中間層２４上と導電体２６上との両方に成膜されてもよい。この場合には、コンタクト部分１０は、導電体２６の上部と中間層２４の一部分とから構成される。
【００５６】
図１５ａおよび図１５ｂにおいて、多孔質構造部材内に少なくとも部分的に満たされる電解質溶液に対して化学的に融和性のある導電体は、作用電極に接触する。しかしながら、導電体は、また、作用電極から所定の距離を置いて配置されてもよい。さらに、作用電極の小さな部分の下方に導電体を配置することも考えられる。この場合には、したがって、作用電極は、キャリア領域上と導電体の上部との両方に成膜され、それによって、２つの隣接するセルのための連続的な作用電極層をもたらす。さらに、作用電極からの電流収集を改善するために、導電体は、導電体から例えば垂直に作用電極まで延びる枝を含んでもよい。導電体のこれらの枝は、作用電極の隣に、あるいは、作用電極の下方に、配置されてもよい。
【００５７】
図１〜図１３および図１５に示されるすべての例は、２つの隣接するセルの対向電極のための共有コンタクト経路を備えたセルを有するモノリシック光電気化学システムに基づくものであるが、２つの作用電極は、２つの電気的に接続されたコンタクト経路をセルの長辺に沿って有する。このセル構造は、すべての例において、鏡面反転されてもよく、すなわち、２つの隣接するセルは、作用電極のための１つのコンタクト経路を共有するが、２つの対向電極は、２つの電気的に接続されたコンタクト経路をセルの長辺に沿って有する。これらの実施形態においては、対向電極は、実施形態の作用電極が添付の図面に示された場所に配置され、そして、作用電極は、実施形態の対向電極が添付の図面に示された場所に配置される。
【００５８】
高い導電性を有する材料から構成される導電体が使用される例においては、導電体は、電極のより長い辺に平行に配置された一直線の導電体経路から構成される。しかしながら、電極からの電流収集を改善するために、導電体は、また、例えば、一組の枝を含んでもよい。これらの枝は、作用電極からの電流収集を改善するために、例えば、第１の組の電流経路の導電体から作用電極まで垂直に延びてもよく、あるいは、作用電極からの電流収集を改善するために、第２の組のコンタクト経路の導電体から対向電極まで垂直に延びてもよい。
【００５９】
図１６において、間隙４１によって分離された細長いセル１１１、．．．、１１２ｎの行４４として配列された複数のセルを含むモノリシック光電気化学システムが、示される。この実施形態においては、第１および第２の組のコンタクト経路５、７は、
・その行４４に沿って延びる第１の基部４３とその第１の基部４３に接続された第１の組の拡張部４５とを含み、その第１の組の拡張部４５は、行４４内の第１のセル１１１の前方においてそのセル１１１に沿って延びる第１の拡張部４６と、その行４４の最後のセル１１２ｎの後方においてそのセル１１２ｎに沿って延びる最後の拡張部４７と、その第１の基部４３と第１の組の拡張部４５とが櫛状のパターン（）を形成するように第２の間隙から開始してセル間の一つおきの間隙４１内へ延びる第１の組の中間拡張部４８とを含み、
・さらに、その行に沿って延びる第２の基部４９を含み、それらの第１および第２の基部４３、４９は、行４４の両側に配置され、また、その第２の基部と第２の組の拡張部とが櫛状のパターン（）を形成するようにその第２の基部４９に接続されかつ第１の間隙から開始してセル間の一つおきの間隙内へ延びる第２の組の中間拡張部５０を含む。
【００６０】
それぞれの中間拡張部４８、５０は、隣接するセルの両方に電気的に接続される。第１の基部および第１の組の拡張部は、第１または第２の組のコンタクト経路の一方の一部分を形成し、第２の基部および第２の組の拡張部は、コンタクト経路の他方の組の一部分を形成する。すなわち、一実施形態によれば、第１の基部４３およびその第１の基部４３の拡張部は、第１の組のコンタクト経路すなわち作用電極の一部分を形成し、第２の基部４９およびその第２の基部４９の拡張部は、第２の組のコンタクト経路すなわち対向電極の一部分を形成する。さらに別の一実施形態においては、第１の基部４３およびその第１の基部４３の拡張部は、第２の組のコンタクト経路すなわち対向電極の一部分を形成し、第２の基部４９およびその第２の基部４９の拡張部は、第１の組のコンタクト経路すなわち作用電極の一部分を形成する。
【００６１】
したがって、光電気化学セルの行は、行内に含まれるすべてのセルが第１の端子および第２の端子に並列に接続されるように配列される。
【００６２】
行内に存在する個々のセルは、その形状が、細長いものであり、好ましくは、長方形であり、長辺がお互いに向かい合った状態で並べて配置される。セルの幅は、制限される。なぜなら、電子輸送中のエネルギー損が、作用電極を備えた中間層のオーム面積抵抗および対向電極のオーム面積抵抗で発生するからである。したがって、キャリア領域およびコンタクト部分は、電極間の間隙内に延びる導電体を介して、端子に接続される。セルの長さが増加すれば、損失が低い状態に保持されるのを保証するために、拡張部４８、５０の寸法も増加しなければならない。したがって、セル間に必要な間隙の幅は、セルの増加した長さとともに増加する。最大可能活性領域を基板上に提供するためには、５〜１０ｍｍの幅と３０〜２００ｍｍの長さとを備えた形状をセルに与えるのが望ましいことが知られている。
【００６３】
上述したような複数の行のセルを共通基板上に形成することを考えてもよく、それぞれの行は、デバイスの動作安定性を最大にするために並列に、あるいは、デバイスからのより高い出力電圧を可能にするために直列に接続される。
【００６４】
第１の実施例においては、行は、幅が１５ｃｍであり、１４個の並列に接続されたセルを含む。第２の実施例においては、行は、幅が６０ｃｍであり、７２個のセルを含む。また、第２の実施例は、デバイスの出力電圧を増加させるために直列に接続された４つの１５ｃｍの行から構成される。したがって、１行あたりの並列に接続されたセルの数は、好ましくは、１４〜７２個のセルの範囲内に存在する。一般的に、並列に接続されたセルの複数の行は、共通基板上に配列されてもよい。行は、並べて配列されてもよく、すなわち、それぞれの行内に存在するセルの長さ方向は、お互いに向かい合っており、あるいは、それぞれの行内に存在するセルの幅方向がお互いに向かい合うように、お互いに上下に配置されてもよい。最後の例においては、２つの隣接する行は、共通基部を共有してもよい。セルの行は、直列かまたは並列に接続されてもよい。
【００６５】
本発明は、また、封止モノリシック電気化学システムを製造する方法に関し、以下の方法ステップが、実行される。すなわち、
ａ）基板２上に配置された導電パターン３を形成するステップ。その導電パターン３は、キャリア領域４およびそれらのキャリア領域４を第１の端子６に接続する第１の組のコンタクト経路５と、第２の端子８からそれらのキャリア領域４へ延びかつキャリア領域４とその第２の組のコンタクト経路７のコンタクト部分１０との間に間隙９を残すその第２の組のコンタクト経路７とを含む。
ｂ）作用電極を形成するために、半導体材料によってそれぞれのキャリア領域を少なくとも部分的に被覆するステップ。
ｃ）作用電極領域を形成することを意図したその半導体材料を、それぞれの作用電極間に絶縁層を形成することを意図した絶縁材料によって被覆するステップ。
ｄ）対向電極を形成することを意図した導電材料によって絶縁材料を被覆するステップ。
この方法は、とりわけ、作用電極が、基板上に成膜された後に、第１の焼結プロセスにおいて、半導体材料を焼結することによって形成され、対向電極が、その第１の焼結プロセスの後の第２の焼結プロセスにおいて、焼結することによって形成されること、および、第２の焼結プロセスの温度が、第１の焼結プロセスの温度よりも低いことを特徴とする。上述したプロセスは、基板上に配置された単一セルを有する電気化学システムを製造するときに使用されてもよく、共通基板上に直列に配置された複数のセルを有する電気化学システム、さらには、共通基板上に並列に配置された複数のセルを有する電気化学システムに使用されてもよい。
【００６６】
基板２上に配置された導電パターン３を形成するステップａ）は、キャリア領域４およびそれらのキャリア領域４を第１の端子６に接続する第１の組のコンタクト経路５と、第２の端子８からそれらのキャリア領域４へ延びかつキャリア領域４と第２の組のコンタクト経路７のコンタクト部分１０との間に間隙９を残すその第２の組のコンタクト経路７とを形成するために基板上に配置された導電材料から構成される中間層を構造化することによって、実行されてもよい。別の実施形態においては、ステップａ）は、導電体を成膜することを含み、その導電体は、別の実施形態において、電極に直接に接触してもよく、あるいは、直接に接触しなくてもよい。導電体の成膜を使用することを構造化された中間層を使用することと組み合わせることも可能である。導電体は、中間層の上方かまたは下方に成膜されてもよい。
【００６７】
本発明のとりわけ好ましい実施形態においては、対向電極を形成するステップｄ）は、対向電極をコンタクト部分に接着するように配置されたコンタクト材料を成膜する第１のステップｄ１）と、対向電極の残りの部分を形成するために導電材料を成膜する第２のステップｄ２）とを含む。
【００６８】
例：
「並列接続されたモノリシック光電気化学モジュールを製造するための典型的なプロセスステップ」
１．導電基板を洗浄する。
２．基板の導電層の電流経路を形成する（例えば、レーザ構造化）。
３．ＴｉＯ２層を成膜する（例えば、スクリーン印刷）。
４．４５０℃において焼結する。
５．スペーサー層を成膜する（例えば、スクリーン印刷、その後に乾燥）。
６．炭素接着層を成膜する（例えば、スクリーン印刷、その後に乾燥）。
７．炭素対向電極層を成膜する（例えば、スクリーン印刷、その後に乾燥）。
８．銀電流コレクタを成膜する（例えば、スクリーン印刷）。
９．３９０℃において焼結する。
１０．染料を添加する。
１１．電解液を注入する。
１２．エンキャプスレーション（例えば、真空／加熱ラミネーション）。
【００６９】
コメント：
・多くのその他の変形が、可能であり、例えば、ステップ８は、例えば、ステップ２、ステップ３、あるいは、ステップ４の後に実行されてもよく、および／または、ステップ５は、ステップ３の後に実行されてもよい。
・１つかまたはいくつかの異なる層が、スクリーン印刷とは異なる方法、例えば、インクジェット印刷によって成膜されてもよい。
・２つの焼結ステップは、１つに組み合わせられてもよい（ステップ９）。しかしながら、２つの焼結ステップは、デバイスのより良好な性能をもたらした。
・２つの炭素層は、１つに組み合わせられてもよい。
・ガラスとは異なるその他の導電基板が、使用されてもよく、例えば、ポリマーが、使用されてもよい。しかしながら、これは、より低い焼結温度を必要とする。
・その他のエンキャプスレーション方法は、異なるプロセスステップ、例えば、封止材料としていわゆるガラスフリットを使用することを必要とするかもしれない。
【００７０】
図１７〜図２０において、単一セルと直列および並列に配置されたセルとに対して実行された様々な試験は、セルを並列に配置するという新規性のある概念がより効率的でありかつあまり劣化することのない電気化学システムを提供することを証明している。
【００７１】
図１７において、それぞれが直列（それぞれの電流ごとに電圧の和をとる）および並列（それぞれの電圧値ごとに電流の和をとる）に接続された３つのほぼ同一のセルに対する電流電圧特性が、示される。
【００７２】
図１８は、図１７の場合と同様に直列／並列に接続された同一のセルに対する電力を電圧の関数として示す。最大効率は、直列および並列に接続されたモジュールの場合に同じである。
【００７３】
図１９は、１つのセル（２３０７）がそのセルの隣のセルよりも良好に動作しないように（例えば、１つのセルが部分的に遮光されたことまたはその他の理由のためにあまり良好に動作しないことをシミュレートするために）部分的に暗い場所に置かれたときの図１７の場合と同じ曲線を示す。“遮光”されたセルの開放電圧はその他のセルの開放電圧とほぼ同じであることに注意されたい。
【００７４】
図２０は、図１９の場合と同様に直列／並列に接続された同一のセルに対する電力を電圧の関数として示す。最大効率は、“遮光”されたセルの開放電圧はその他のセルと比較してほとんど変化がないという事実のために、並列接続されたモジュールの場合にかなり大きい。
【００７５】
モノリシック電極は、レーザ構造化ＴＣＯガラス板（Ｈａｒｔｆｏｒｄ  Ｇｌａｓｓから市販されているＴＥＣ  １５Ω／ｓｑｕａｒｅ）上にスクリーン印刷された。電極を印刷する前に、ガラス板は、入念に洗浄された。ＴｉＯ２層を印刷した後、電極は、ペーストの有機添加物を除去するために、また、粒子同士を結合させるために、４５０℃において１時間だけ焼結された。その後に、残りの層が、銀、スペーサー、炭素１（接着層）、そして、炭素２（対向電極）の順序で印刷された。それらの層は、それぞれの層を印刷した後に、１２５℃において素早く乾燥させられた。最後の印刷ステップの後、ガラス板は、チタンラック内に配置され、そして、３９０℃において焼結された。その後に、それらの電極を含むラックは、シス−ジ（チオシアネート）−ビス（４，４′−ジカルボキシ−２，２′−ビピリジン）ルテニウム（II）をアセトニトリル／ｔ−ブタノール（容量で５０／５０）中に０．３ｍＭの濃度で溶かした染料溶液に漬けられた。電極は、染料溶液中に入れたままにされ、そして、アセトニトリルによってすすがれ、そして、真空中において乾燥させられた。電解質溶液は、手作業で電極に注入された。その後に、モジュールは、上で説明した国際特許出願第ＷＯ０１／９７２３７号に記載される手順に基づいて、真空／加熱プロセスにおいて、シーラントとして熱可塑性材料Ｓｕｒｌｙｎ（登録商標）を用いてエンキャプスレーションされた。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】導電層を備えた基板を示す平面図である。
【図２】図１の基板の線分Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図３】図１に示される基板上に配置されたモノリシックシステムを示す図である。
【図４】図３に示されるモノリシックシステムの線分Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【図４ａ】図４の部分Ｃをより詳細に示す図である。
【図５】基板上に配置された導電パターンの第２の実施形態を示す図である。
【図６】図５に示される基板の線分Ｄ−Ｄに沿った断面図である。
【図７】キャリア領域およびコンタクト部分を形成する中間層を示す図である。
【図８】第１および第２の組のコンタクト経路に含まれる導電体を示す図である。
【図９】基板上に配置された導電パターンの第３の実施形態を示す図である。
【図１０】図９に示される実施形態のキャリア領域およびコンタクト部分を形成する中間層を示す図である。
【図１１】図９に示される実施形態のキャリア領域およびコンタクト部分を形成する中間層を示す図であり、この中間層は、２つのキャリア領域間に存在する領域において別の形状を有する。
【図１２ａ】図５に示される基板の線分Ｄ−Ｄおよび線分Ｅ−Ｅに沿った断面図である。
【図１２ｂ】図５に示される基板の線分Ｄ−Ｄおよび線分Ｅ−Ｅに沿った断面図である。
【図１３ａ】基板上に配置された２つのモノリシック光電気化学セルから構成される組を示す図であり、導電体が、中間層の下方に配置されている。
【図１３ｂ】基板上に配置された２つのモノリシック光電気化学セルから構成される組を示す図であり、導電体は、中間層の下方に配置されている。
【図１４】基板上に配置された１つのモノリシック光電気化学セルを示す図であり、導電体は、中間層上および対向電極上に配置されている。
【図１５ａ】基板上に配置された２つのモノリシック光電気化学セルから構成される組を示す図であり、導電体は、電解質溶液と化学的に融和性のあるものである。
【図１５ｂ】基板上に配置された２つのモノリシック光電気化学セルから構成される組を示す図であり、導電体は、電解質溶液と化学的に融和性のあるものである。
【図１６】間隙によって分離された細長いセルから構成される行内に配列された複数のセルを含むモノリシック光電気化学システムを示す図である。
【図１７】それぞれが直列および並列に接続された３つのほぼ同一のセルの電流電圧特性を示すグラフである。
【図１８】図１７の場合と同様にそれぞれが直列および並列に接続されたセルの電力を電圧の関数として示すグラフである。
【図１９】図１７および図１８の場合と同様に配置されたセルの電流電圧特性を示すグラフであり、セルの中の１つが、部分的に遮光された。
【図２０】図１１８の場合と同様にそれぞれが直列および並列に接続されたセルの電力を電圧の関数として示すグラフであり、１つのセルが、部分的に遮光された。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図４ａ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年1月25日(2008.1.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的絶縁基板（２）、
作用電極（１２）を支持するように配置されたキャリア領域（４）と、対向電極（１４）に接続されたコンタクト部分（１０）と、前記キャリア領域（４）を第１の端子（６）に接続する第１の組のコンタクト経路（５）と、前記コンタクト部分（１０）を第２の端子（８）に接続する第２の組のコンタクト経路（７）とを含む導電パターン（３）、および、
前記基板（２）上に配列された多孔質構造部材（１１１〜１１２ｎ）のアレイ
を備える封止モノリシック光電気化学システム（１）であって、
前記多孔質構造部材（１１）のそれぞれが、前記作用電極（１２）と、絶縁層（１３）と、前記対向電極（１４）とを備え、電解液が、複数の電気化学セルを形成するために、前記多孔質構造部材（１１１〜１１２ｎ）内に少なくとも部分的に満たされ、エンキャプスレーションが、前記多孔質構造部材（１１１〜１１２ｎ）のアレイを被覆する、封止モノリシック光電気化学システム（１）において、
前記第１の組のコンタクト経路（５）および前記第２の組のコンタクト経路（７）が、前記複数の電気化学セルを並列に接続していることを特徴とする封止モノリシック光電気化学システム。
【請求項２】
前記キャリア領域（４）および前記コンタクト部分（１０）が、前記基板（２）上に配置された導電材料から構成される中間層（２４）から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の封止モノリシック光電気化学システム。
【請求項３】
前記中間層（２４）が、前記電解液に曝される第１の材料から形成されること、および、前記第１の組のコンタクト経路（５）および前記第２の組のコンタクト経路（７）が、前記第１の材料よりも低い抵抗率を有する高い導電性を有する材料から構成される導電体（２６）を含むことを特徴とする請求項２に記載の封止モノリシック光電気化学システム。
【請求項４】
前記第１の材料が、ドープされたＳｎＯ２であること、および、前記高い導電性を有する材料が、銀であることを特徴とする請求項３に記載の封止モノリシック光電気化学システム。
【請求項５】
前記複数のセルが、間隙（４１）によって分離された細長いセルの行（４４）から構成されることと、
前記第１の組のコンタクト経路（５）および前記第２の組のコンタクト経路（７）が、
前記行（４４）に沿って延びる第１の基部（４３）と前記第１の基部（４３）に接続された第１の組の拡張部（４５）、および、
前記行（４４）に沿って延びる第２の基部（４９）
を含み
前記第１の組の拡張部（４５）が、前記行内の第１のセル（１１１）に沿って延びる第１の拡張部（４６）と、前記行（４４）内の最後のセル（１１２ｎ）に沿って延びる最後の拡張部（４７）と、前記第１の基部（４３）と前記第１の組の拡張部（４５）とが櫛状のパターン（）を形成するように、第２の間隙（４１）から開始して前記セル（１１１〜１１２ｎ）間の一つおきの間隙（４１）内へ延びる第１の組の中間拡張部（４８）とを含み、
前記第１の基部（４３）および前記第２の基部（４９）が、前記行（４４）の両側に配置され、また、前記第２の基部（４９）と第２の組の拡張部（５０）とが櫛状のパターン（）を形成するように、前記第２の基部（４９）に接続されかつ第１の間隙（４１）から開始して前記セル（１１１〜１１２ｎ）間の一つおきの間隙（４１）内へ延びる前記第２の組の中間拡張部（５０）を含み、
前記中間拡張部（４８、５０）のそれぞれが、隣接するセル（１１ｎ−１〜１１ｎ）の両方に接続され、前記第１の基部（４３）および前記第１の組の拡張部（４５）が、前記第１の組のコンタクト経路（５）および前記第２の組のコンタクト経路（７）の一方の一部分を形成し、前記第２の基部（４９）および前記第２の組の拡張部（５０）が、前記第１の組のコンタクト経路（５）および前記第２の組のコンタクト経路（７）の他方の一部分を形成することと、
を特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の封止モノリシック光電気化学システム。
【請求項６】
前記セル（１１１〜１１２ｎ）の行（４４）が、偶数個のセルを含むことを特徴とする請求項５に記載の封止モノリシック光電気化学システム。
【請求項７】
前記セル（１１１〜１１２ｎ）が、長方形であり、約５〜１０ｍｍの幅および約３０〜２００ｍｍの長さを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の封止モノリシック光電気化学システム。
【請求項８】
前記対向電極（１４）が、前記第２の組のコンタクト経路（７）の前記コンタクト部分（１０）まで下方へ延びかつ前記コンタクト部分（１０）に接触する第１の端部（１７）を有し、それによって、前記対向電極（１４）が、前記第２の組のコンタクト経路に電気的に接触した状態にあり、前記端部（１７）が、前記対向電極（１４）の残りの部分とは異なる組成を有するコンタクト層（１８）を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の封止モノリシック電気化学システム。
【請求項９】
前記異なる組成が、前記対向電極の残りの部分よりも強力に前記コンタクト部分（１０）に接着することを特徴とする請求項８に記載の封止モノリシック電気化学システム。
【請求項１０】
前記異なる組成が、前記対向電極の主要部分とは異なる割合の黒鉛とカーボンブラックとから構成されることを特徴とする請求項９に記載の封止モノリシック電気化学システム。
【請求項１１】
ａ）複数の前記キャリア領域（４）を含む導電パターンを前記基板（２）上に形成するステップと、
ｂ）前記作用電極（１２）を形成するために、半導体材料によって前記キャリア領域（４）のそれぞれを少なくとも部分的に被覆するステップと、
ｃ）前記作用電極（１２）を形成することを意図した前記半導体材料を、前記作用電極のそれぞれと前記対向電極（１４）との間に前記絶縁層（１３）を形成することを意図した絶縁材料によって被覆するステップと、
ｄ）前記コンタクト部分（１０）に結合された前記対向電極（１４）を形成することを意図した導電材料によって前記絶縁材料を少なくとも部分的に被覆するステップと、
が実行され、前記作用電極（１２）、前記絶縁層（１３）、および、前記対向電極（１４）が、多孔質構造部材（１１１〜１１２ｎ）のアレイを形成し、前記多孔質構造部材（１１１〜１１２ｎ）のアレイが、複数の前記キャリア領域（４）上に配列される請求項１に記載の封止モノリシック電気化学システムを製造する方法において、
前記作用電極（１２）が、前記基板（２）上に成膜された後に、第１の焼結プロセスにおいて、半導体材料を焼結することによって形成され、前記対向電極（１４）が、前記第１の焼結プロセスの後の第２の焼結プロセスにおいて、焼結することによって形成されることと、
前記第２の焼結プロセスの温度が、前記第１の焼結プロセスの温度よりも低いことと、
を特徴とする方法。
【請求項１２】
前記第１の焼結プロセスの前記温度が、４２０〜６００℃の範囲内に存在することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２の焼結プロセスの前記温度が、４００℃以下であることを特徴とする請求項１１または１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記作用電極（１２）が、ＴｉＯ２の多孔質層から構成されることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記対向電極（１４）が、炭素の多孔質層から構成されることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記対向電極（１４）を形成する前記ステップｄ）が、前記対向電極（１４）を前記コンタクト部分（１０）に接着させるように配置されたコンタクト材料（１８）を付加する第１のステップｄ１）と、前記対向電極（１４）の残りの部分を形成するために導電材料を付加する第２のステップｄ２）とを含むことを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
ａ）前記キャリア領域（４）を含む導電パターンを前記基板（２）上に形成するステップと、
ｂ）前記作用電極（１２）を形成するために、半導体材料によって前記キャリア領域（４）のそれぞれを少なくとも部分的に被覆するステップと、
ｃ）前記作用電極（１２）を形成することを意図した前記半導体材料を、前記作用電極のそれぞれと前記対向電極（１４）との間に前記絶縁層（１３）を形成することを意図した絶縁材料によって被覆するステップと、
ｄ）前記コンタクト部分（１０）に結合された前記対向電極（１４）を形成することを意図した導電材料によって前記絶縁材料を少なくとも部分的に被覆するステップと、
が実行される請求項１に記載の封止モノリシック電気化学システムを製造する方法において、
前記対向電極（１４）を形成する前記ステップｄ）が、前記対向電極（１４）を前記コンタクト部分（１０）に接着させるように配置されたコンタクト材料（１８）を付加する第１のステップｄ１）と、前記対向電極（１４）の残りの部分を形成するために導電材料を付加する第２のステップｄ２）とを含むことを特徴とする方法。
【国際調査報告】
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