(57)【要約】光電気化学電池のための光電極が開示される。光電極は、第１の開口部によって空間的に離されたエミッタおよびコレクタのコンタクトを有するバックコンタクト太陽電池を備えている。エミッタコンタクトとコレクタコンタクトは、それぞれエミッタバスバーとコレクタバスバーに集められる。光電極は、さらに、コンタクトパッシベーション層を備えており、コンタクトパッシベーション層は、使用時にエミッタおよびコレクタのコンタクトを電解質から分離する。コンタクトパッシベーション層は、第１の開口部に対応して第２の開口部をさらに有する。光電極は、さらに、使用中に、エミッタコンタクトからの電荷キャリアのみがその移動方向においてコンタクトパッシベーション層を横切って電解質に向かい、一方、コレクタコンタクトからの電荷キャリアが、コレクタバスバーに集められるように、開口部とコンタクトパッシベーション層の一部を覆う樹脂層を備えている。樹脂層および／またはコンタクトパッシベーション層をそれぞれ覆う電極触媒層がさらに設けられている。【選択図】図１
2019507240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電気化学電池のための光電極であって、当該光電極は、最表面（１０）から対向する最裏面（２０）まで延びており、前記最表面（１０）は、使用中に、入射光（Ｌ）が照射され、前記最裏面（２０）は、使用中に、前記光電気化学電池の電解質と接触し、前記光電極は、
使用中に入射光（Ｌ）が照射される前記光電極の最表面（１０）を構成する太陽電池表面（１１０）から、前記最裏面（２０）に面する対向する太陽電池裏面（１２０）まで延びる、バックコンタクト太陽電池（１００）を含み、
前記太陽電池裏面（１２０）は、エミッタ（Ｅ）およびコレクタ（Ｃ）のコンタクトを備え、前記エミッタ（Ｅ）およびコレクタ（Ｃ）のコンタクトは、前記太陽電池裏面（１２０）の第１の開口部（１０１、１７１）によって離間されており、前記エミッタ（Ｅ）およびコレクタ（Ｃ）のコンタクトは、それぞれエミッタバスバー（１１１）およびコレクタバスバー（１２１）に集められ、
前記光電極は、
前記太陽電池裏面（１２０）を覆い、前記エミッタ（Ｅ）およびコレクタ（Ｃ）のコンタクトを使用時に電解質から分離するコンタクトパッシベーション層（１３０）であって、前記太陽電池裏面（１２０）の前記第１の開口部（１０１、１７１）に対応する第２の開口部（１３１）をさらに備える、コンタクトパッシベーション層（１３０）と、
使用中に、前記エミッタコンタクト（Ｅ）からの電荷キャリアのみがその移動方向において前記コンタクトパッシベーション層（１３０）を横切って前記電解質に向かい、一方、前記コレクタコンタクト（Ｃ）からの電荷キャリアが、前記コレクタバスバー（１１１）に集められるように、前記開口部（１０１、１７１および１３１）および前記コンタクトパッシベーション層（１３０）の一部を覆う樹脂層（１４０）と、
前記樹脂層（１４０）、前記コンタクトパッシベーション層（１３０）、またはこれら両方をそれぞれ覆い、使用中に電解質と接触する前記最裏面（２０）を構成する電極触媒層（１５０）と、
をさらに備える、光電極。
【請求項２】
前記バックコンタクト太陽電池（１００）は、
（ａ）半導体基板（１０２、１０３）であって、
（ｉ）前記太陽電池表面（１１０）を規定する基板表面（１０２２、１０３２）、および、
（ｉｉ）前記太陽電池裏面（１２０）に面する対向する基板裏面（１０２１、１０３１）を有し、
ｎ型（１０３）およびｐ型（１０２）から選択される、半導体基板（１０２、１０３）と、
（ｂ）１つ以上のｐ＋型ドープ領域（２）およびｎ＋型ドープ領域（１）であって、前記ｐ＋型ドープ領域（２）およびｎ＋型ドープ領域（１）が、前記基板裏面（１０２１、１０３１）に交互に設けられ、前記ｐ＋型ドープ領域（２）およびｎ＋型ドープ領域（１）の分布が、前記半導体基板型（１０２、１０３）に依存する、１つ以上のｐ＋型ドープ領域（２）およびｎ＋型ドープ領域（１）と、
（ｃ）使用中に金属コレクタ（１７０）が、前記エミッタバスバー（１２１）において前記エミッタコンタクト（Ｅ）を集め、前記コレクタバスバー（１１１）において前記コレクタコンタクト（Ｃ）を集めるように、前記エミッタ（Ｅ）およびコレクタ（Ｃ）のコンタクトをそれぞれ規定する前記ｐ＋型ドープ領域（２）およびｎ＋型ドープ領域（１）を覆う金属コレクタ（１７０）であって、前記太陽電池裏面（１２０）の前記第１の開口部（１７１）は、前記エミッタコンタクト（Ｅ）を前記コレクタコンタクト（Ｃ）から分離するために、ｎ＋型ドープ領域（１）とｐ＋型ドープ領域（２）との間の接合部に対応する前記金属コレクタ（１７０）に設けられており、前記金属コレクタ（１７０）が、前記太陽電池裏面（１２０）を構成する、金属コレクタ（１７０）と、
を備える、請求項１に記載の光電極。
【請求項３】
前記半導体型は、ｐ型（１０２）であり、前記エミッタコンタクト（Ｅ）は、前記ｎ＋型ドープ領域（１）によって規定され、前記コレクタコンタクト（Ｃ）は、前記ｐ＋型ドープ領域（２）によって規定される、請求項２に記載の光電極。
【請求項４】
前記半導体型は、ｎ型（１０２）であり、前記エミッタコンタクト（Ｅ）は、前記ｐ＋型ドープ領域（２）によって規定され、前記コレクタコンタクト（Ｃ）は、前記ｎ＋型ドープ領域（１）によって規定される、請求項２に記載の光電極。
【請求項５】
前記樹脂層（１４０）は、化学的に安定で、熱抵抗が２００℃以上であり、体積抵抗が１０１６Ω・ｃｍより高い、ポリマー製である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光電極。
【請求項６】
前記電極触媒層（１５０）と、前記樹脂層（１４０）または前記コンタクトパッシベーション層（１３０）それぞれとの間に配置された第２のパッシベーション層（１６０）をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光電極。
【請求項７】
使用中に入射光（Ｌ）がその最表面（１０）に照射され、その最裏面（２０）が電解質と接触するように前記第１の光電極（５）が配置されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の第１の光電極（５）を備える光電気化学電池。
【請求項８】
前記第１の光電極（５）から離間されて配置される第２の電極（４）と、
前記第１の光電極（５）と前記第２の電極（４）との間に配置されるイオン交換セパレータ（６）と、をさらに備え、
前記第１の光電極（５）と前記第２の電極（４）とは、互いに電気的に接続されている、請求項７に記載の光電気化学電池。
【請求項９】
前記第１の光電極（５）と前記第２の電極（４）のうちの一方は、請求項３に記載の光電極であり、前記第１の光電極（５）と前記第２の電極（４）のうちの他方は、請求項４に記載の光電極である、請求項８に記載の電池。
【請求項１０】
（ａ）カソード区画であって：カソードとして作用するカソード材料を含むカソード支持フレームと；第１の流体気体ＣＯ２分布フレームおよび第２の流体気体ＣＯ２分布フレームと；前記カソード支持フレームと前記分布フレームとの間に、前記カソード区画の横方向端部として配置される１つ以上のカソードガスケットと；を備え、前記カソード支持フレームが、前記第１の分布フレームと第２の分布フレームとの間に配置されている、カソード区画と、
（ｂ）アノード区画であって：アノードとして作用するアノード材料を含むアノード支持フレームと；前記アノード支持フレームよりも膜に近い前記アノード区画の部分にあるように配置された流体分布フレームと；前記アノード支持フレームと前記分布フレームとの間に、前記アノード区画の横方向端部として配置されている１つ以上のアノードガスケットと；を備える、アノード区画と、
（ｃ）前記カソード区画と前記アノード区画との間に配置されるイオン交換膜と、
をさらに備え、
（ｉ）前記カソード材料は、固定化ＣＯ２電極触媒材料を含む導電性多孔性電極であり、
（ｉｉ）前記第１および第２の流体気体ＣＯ２分布フレームと、前記カソードガスケットは、使用中に、異なる入口を介し、前記カソード区画にカソード液と気体状ＣＯ２を別個に導入することを可能にし、出口を介し、カソード液、液体および気体状生成物および／または未反応のＣＯ２を一緒に出すことを可能にするよう配置され、
（ｉｉｉ）前記流体分布フレーム、前記アノード支持フレームおよびアノードガスケットは、使用中に、入口を介し、前記アノード区画にアノード液を導入することを可能にし、出口を介し、アノード液と酸化生成物とを一緒に出すことを可能にするよう配置され、
（ｉｖ）前記アノード材料は、光触媒アノード材料であり、前記アノード支持フレームの光学窓の膜に面する側に配置されており；前記アノード材料は、使用中に、入口を介して前記アノード区画に導入される前記アノード液と接触することができ、前記アノード区画に照射するために使用される放射線が、前記膜に面していない反対側付近の前記光学窓に達したら活性化することができるように、配置されており、
（ｖ）前記光触媒アノード材料と気体拡散カソード材料は、表面積の比率が１：１〜１：０．０２であり、
前記アノード材料は、請求項４に記載の光電極である、
請求項７に記載の電池。
【請求項１１】
（ａ）カソード区画であって：カソードとして作用するカソード材料を含むカソード支持フレームと；流体分布フレームと；前記カソード支持フレームと前記分布フレームとの間に、前記カソード区画の横方向端部として配置されている１つ以上のカソードガスケットと；を備える、カソード区画と、
（ｂ）アノード区画であって：アノードとして作用するアノード材料を含むアノード支持フレームと；前記アノード支持フレームよりも膜に近い前記アノード区画の部分にあるように配置された流体分布フレームと；前記アノード支持フレームと前記分布フレームとの間に、前記アノード区画の横方向端部として配置されている１つ以上のアノードガスケットと；を備える、アノード区画と、
（ｃ）前記カソード区画と前記アノード区画との間に配置されるイオン交換セパレータと、
をさらに備え、
（ｉ）前記カソード材料は、固定化水素発生反応（ＨＥＲ）電極触媒材料を含む電極であり、
（ｉｉ）前記流体分布フレーム及びカソードガスケットは、使用中に、入口を介し、前記カソード区画にカソード液に導入することを可能にし、出口を介し、前記カソード液と還元生成物とを一緒に出すことを可能にするよう配置され、
（ｉｉｉ）前記流体分布フレーム、前記アノード支持フレームおよびアノードガスケットは、使用中に、入口を介し、前記アノード区画にアノード液を導入することを可能にし、出口を介し、前記アノード液と酸化生成物とを一緒に出すことを可能にするよう配置され、
（ｉｖ）前記アノード材料は、酸素発生反応（ＯＥＲ）電極触媒材料を含む電極であり、
（ｖ）前記アノード材料と前記カソード材料とは、表面積の比率が１：１〜１：０．０２であり、
カソード材料は、請求項３に記載の光電極であるか、または前記アノード材料は、請求項４に記載の光電極であり、前記光電極は、光学窓の膜に面する側に配置され、照射に使用される放射線が、膜に面していない反対側付近の光学窓に達すると、活性化することができる、
請求項７に記載の電池。
【請求項１２】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の光電極を製造する方法であって、
バックコンタクト太陽電池（１００）を準備することと、
前記太陽電池裏面（１２０）を覆うコンタクトパッシベーション層（１３０）を設けることであって、前記コンタクトパッシベーション層（１３０）には、前記第１の開口部（１０１、１７１）に対応する第２の開口部（１３１）が設けられていることと、
前記開口部（１０１、１７１および１３１）を封止するために樹脂層（１４０）を設け、前記樹脂層が、前記コレクタコンタクトに対応する前記コンタクトパッシベーション層（１３０）の部分をさらに覆うことと、
前記樹脂層（１４０）と前記コンタクトパッシベーション層（１３０）とをそれぞれ覆う電極触媒層（１５０）を設けることと、
を含む、製造方法。
【請求項１３】
前記電極触媒層（１５０）と、前記コンタクトパッシベーション層（１３０）、前記樹脂層（１４０）またはその両方それぞれとの間にパッシベーション層（１６０）を設けることをさらに含み、前記パッシベーション層（１６０）は、原子層堆積（ＡＬＤ）によって、パルスレーザ堆積法（ＰＬＤ）によって、ゾルゲル法によって、ブレードコーティングによって、またはスクリーン印刷によって設けられる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記樹脂層（１４０）は、スピンコーティングによって設けられ、樹脂によって覆われていない領域を開けるために、フォトリソグラフィが使用される、請求項１２または１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記コンタクトパッシベーション層（１３０）は、蒸着プロセスによって設けられる、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記電極触媒層（１５０）は、蒸着プロセスまたは薄膜の堆積によって設けられる、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
薄膜の堆積は、フォームまたはメッシュからなる群から選択される基板上への堆積を含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１５年１２月２３日に出願された欧州特許出願第１５３８２６５８．１号の利益を主張する。
【０００２】
本開示は、光電気化学電池、特に、フィルタプレス光電気化学電池のための光電極に関する。本開示は、さらに、このような光電極を製造する方法、およびこの光電極を含む光電気化学電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
酸化および還元（酸化還元）反応のための光電気化学電池は、よく知られている。光電解電池では、例えば、カソードでＣＯ２を還元することができ、一方、アノードでは酸素の発生が起こる。有機化合物を製造するために、二酸化炭素の電気化学的還元がよく知られている。または、水を還元して水素にすることができ、この場合、カソードで水素が得られ、一方、アノードで酸素が発生する。照射したときの水の分裂は、クリーンな化学燃料として水素を製造するためのよく知られた手段である。
【０００４】
太陽スペクトルの中心領域にバンドギャップを有する半導体から作られる吸収体に基づく光電極は、光子吸収効率を最適化することが知られている。このような光電極は、典型的にはさらに高いバンドギャップを有し（例えば、ＴｉＯ２のような広帯域半導体）、光生成キャリアの再結合が多く、少量のキャリアの拡散長さが短いことによって生じる損失が大きい金属酸化物吸収体を用いて得られるものよりも高い電流密度に達するために、光電気化学プロセスの生産性を上げるために使用されてきた。
【０００５】
この意味で、シリコン、ＩＩＩ−Ｖ化合物（特にＧａＡｓまたはＧａＰ）またはカルコゲン化合物（特に、ＣＩＳまたはケステライト）などの半導体材料に基づく光電極は、電流密度を増加させるために光電気化学プロセスに使用されてきた。それらのバンドギャップと太陽スペクトルとの相関関係、少量のキャリアの寿命における増加を伴う小さな表面再結合速度を得るためのパッシベーションのオプション、及び、同時に、ドーピングレベルを制御する可能性は、最大理論値に近い、より大きなバンドギャップ及び増加した開回路電圧を有する金属酸化物吸収体で得られるものよりも非常に高い電流密度の達成を可能にする。異なる吸収体を用いて得られた電流密度の例は、例えば、ＴｉＯ２光電極：１．２ｍＡ／ｃｍ２、シリコン系光電極：１８ｍＡ／ｃｍ２である。
【０００６】
通常、このような光電極は、電解質−電極界面への光入射（ＥＥ照射）と共に使用され、すなわち、光電極触媒反応は、光電極の照射された側で起こり、そのため、例えば、光電気化学電池（ＰＥＣ）（例えば、光電気化学触媒系を進めるためにフィルタプレス構造を有するもの）の光電極として効率的に使用することができない。これらの系では、光子は、電解質溶液を通過する必要があり、その結果、電解質溶液への吸収によってそれらの一部が失われる。したがって、太陽スペクトルのエネルギー範囲内で高い透過率を有する電解質が必要とされる。さらに、光触媒プロセスを活性化するための電極触媒の層の使用は、それが系の有効透過率の制限因子であるため、光子吸収の別の制限因子を構成する。さらに、照射された界面での電極触媒の層の堆積は、少量のキャリアの寿命を延ばし、例えば、反射防止層を設けることによって、（光学的な観点から）系の設計を最適化するための、及び、両方のパッシベーション処理を最適化するための、制限因子を構成する。
【０００７】
他の公知のシステムは、基板−電極界面に光が入射する（ＳＥが照射される）ウェハ／基板としてシリコンを使用する。しかし、ＳＥ照射の下では、電極−電解質界面は、入射光に対して反対側にあり、吸収体の厚さ（通常はキャリアの拡散長より大きい）に起因して、ほとんどの電子は、基板表面付近での再結合によって失われる。したがって、例えば、ＳＥ照明されるシリコン（Ｓｉ）基板によって発生する光電流は、制限される。
【発明の概要】
【０００８】
本開示の目的は、ＳＥ照射の下で動作可能であり，発生する電流の密度が上がってしまうという従来技術の欠点を少なくとも部分的に克服する、（例えば、フィルタプレス構造を有する）光電気化学電池のための光電極を提供することである。
【０００９】
第１の態様では、光電気化学電池のための光電極が提供される。光電極は、最表面から対向する最裏面まで延びており、最表面は、使用中に、入射光が照射され、最裏面は、使用中に、光電気化学電池の電解質と接触する。光電極は、バックコンタクト（裏面電極型）太陽電池を備えており、バックコンタクト太陽電池は、使用中に入射光が照射される光電極最表面を構成する太陽電池表面から、最裏面に面する対向する太陽電池裏面まで延びており、太陽電池裏面は、エミッタおよびコレクタのコンタクト（エミッタコンタクトおよびコレクタコンタクト）を有している。エミッタとコレクタのコンタクトは、太陽電池裏面の第１の開口部によって離間（空間的に分離）されており、エミッタおよびコレクタのコンタクトは、それぞれ、エミッタバスバーおよびコレクタバスバーに集められる。光電極は、さらに、コンタクトパッシベーション層を備えており、コンタクトパッシベーション層は、太陽電池裏面を覆い、使用時にエミッタおよびコレクタのコンタクトを電解質から分離する。コンタクトパッシベーション層は、さらに、太陽電池裏面の第１の開口部に対応する第２の開口部を備えている。光電極は、さらに、使用中に、エミッタコンタクトからの電荷キャリアのみがその移動方向においてコンタクトパッシベーション層を横切って電解質に向かい、一方、コレクタコンタクトからの電荷キャリアが、コレクタバスバーに集められるように、開口部とコンタクトパッシベーション層の一部とを覆う樹脂層を備えている。光電極は、さらに、樹脂層、コンタクトパッシベーション層、またはこれら両方をそれぞれ覆う電極触媒層を備えており、電極触媒層は、使用中に電解質と接触する最裏面を構成する。
【００１０】
したがって、この態様によれば、光電気化学電池に適したＳＥ照射型光電極が提供される。このために、本開示は、電解質と接触した状態で動作可能な特殊な方法で絶縁（防水）される既知のバックコンタクト太陽電池から開始する。このような特殊な絶縁は、電解質との接触の場合には太陽電池のコンタクトを腐食から保護するようなパッシベーション層を用いたコーティング、および、コレクタコンタクトに対応する樹脂層の提供から始まる。このようにして、コレクタコンタクト（すなわち、樹脂によって覆われているコンタクト）から流れる電荷キャリアは、パッシベーション層を横切り、光電気化学電池の電解質と接触することができないが、これらは、コレクタバスバーに集められる。言い換えれば、樹脂によって覆われた領域は、コレクタ領域に対応し、樹脂によって覆われていない領域は、エミッタ領域に対応する。
【００１１】
本明細書で使用される場合、「バスバー」との用語は、例えば対電極へとさらに伝達するために、電気的な接触が集められるか、または集中させることができる領域（例えば、金属ストリップまたは棒）であると理解されるべきである。
【００１２】
いくつかの例では、コンタクトパッシベーション層は、チタン（Ｔｉ）を含んでいてもよい。他の実施形態では、コンタクトパッシベーション層は、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、その合金およびこれらの組み合わせから選択される金属を含んでいてもよい。
【００１３】
この特殊な絶縁は、さらに、入射光が光電極の反対側の表面（最表面）に衝突したとき、電解質中の反応物質を含む光電極のエミッタ領域（樹脂層によって覆われていないコンタクト）からの電荷キャリアの相互作用を容易にする／促進するために、電極触媒層を設けることを含む。このようにすることにより、バックコンタクト太陽電池または基板−電極界面（ＳＥ）照射型電池を、電気化学酸化還元反応を行うための電解質を含む光電気化学電池の内部で使用することができる。
【００１４】
本開示全体で、バックコンタクト太陽電池は、エミッタおよびコレクタのコンタクトが、光を照射する側（表側）とは反対の同じ側（裏面側）に両方とも設けられる太陽電池であると理解されるべきである。このことは、光電気化学電池の内部で、電極−電解質界面が、入射光に対して反対側にあることを意味する。既知のバックコンタクト太陽電池の例は、例えば、ＩＢＣ（Interdigitated Back Contact）を備えていてもよい。
【００１５】
コンタクトが裏面にある（光が照射されるのと反対側）という事実は、光電極の表面全体が、有効な光子吸収面であるということを確実にする。このようにして、入射光からの光子はもはや電解質溶液を横切る必要がなく、電解質溶液中の吸収による光子の一部の損失を回避する。このことは、太陽スペクトルのエネルギー範囲における高透過率の電解質をもはや必要としないため、使用可能な電解質の種類にも影響を与える。したがって、費用対効果が高い。
【００１６】
ＳＥ照射を用いる別の態様は、少なくともＥＥ照射のための光電極の構造および材料と比較すると、少なくとも最表面の構造および材料という観点で、さらに高い自由度が与えられることである。これは、ＳＥまたは裏面照射が使用される場合、最表面は、電解質と接触する必要がないため、最表面の腐食が減り、そのため、光電極の寿命が延びるからである。
【００１７】
ＳＥ照射の使用により、さらに、光電極の最裏面全体が電解質と接触することができるため、電極の有効面積の増加を促進する。これに加え、全てのコンタクト（エミッタおよびコレクタ）が裏面に提供されるため、その集合を単純化し、遮蔽による損失を防ぐ。
【００１８】
いくつかの実施形態では、バックコンタクト太陽電池は、太陽電池表面を規定する基板表面と、太陽電池裏面に面する対向する基板裏面とを有する半導体基板を備えていてもよい。
【００１９】
これらの実施形態では、半導体基板は、ｎ型およびｐ型から選択されてもよい。バックコンタクト太陽電池は、１つ以上のｎ＋型およびｐ＋型ドープ領域をさらに含んでいてもよい。ｎ＋型ドープ領域およびｐ＋型ドープ領域は、基板裏面に交互に設けられていてもよく、ｎ＋型ドープ領域およびｐ＋型ドープ領域の分布は、半導体基板型（半導体基板のタイプ）に依存する。バックコンタクト太陽電池は、さらに、使用中に金属コレクタがエミッタバスバーのエミッタ領域とコレクタバスバーのコレクタ領域を集めるように、エミッタおよびコレクタのコンタクトを規定するｎ＋型ドープ領域およびｐ＋型ドープ領域を覆う金属コレクタを備えていてもよい。これらの場合、コレクタコンタクトからエミッタコンタクトを分離するために、ｎ＋型ドープ領域とｐ＋型ドープ領域との間の接合部に対応する、金属コレクタ内に太陽電池裏面の第１の開口部が設けられてもよい。これらの場合、金属コレクタは、太陽電池裏面を構成する。
【００２０】
本明細書で使用される場合、ｐ型半導体は、ほとんどが自由正孔を含むと理解され、一方、ｎ型半導体は、ほとんどが自由電子を含むと理解される。また、ｎ＋は、高ドープ濃度のｎ型半導体を示し、ｐ＋は、高ドープ濃度のｐ型半導体を示す。
【００２１】
基板裏面に１つ以上のｎ＋型ドープ領域とｐ＋型ドープ領域を設けることで、例えば、正孔と電子の交互分布が可能になり、そのため、電流密度および開回路電圧が最適化される。そして、ドープ領域を覆う金属コレクタを設けることで、エミッタコンタクトとコレクタコンタクトを、それぞれのバスバーに独立して集めることができ、それにより、電気的な接続がない最裏面が確保される。これにより、最裏面のパッシベーションを向上させ、すなわち、表面再結合速度を最適化し、それにより、ドープ領域に移動する電荷キャリアの寿命が延びる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、太陽電池は、さらに、金属コレクタとドープ領域との間に配置された第１のパッシベーション層を備えていてもよい。使用中に、さらなる開口部によって、電荷キャリアがドープ領域から金属コレクタへと移動することができるように、第１のパッシベーション層には、それぞれのドープ領域に対応して、さらなる開口部が設けられていてもよい。第１のパッシベーション層を設けることにより、ドープ領域の表面での再結合の発生が回避されるか、または少なくとも減る。これにより、入射光からの光子取り出し（引き抜き）効率が高まる。いくつかの例では、第１のパッシベーション層は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）またはこれらの組み合わせを含んでいてもよい。または、シリコンの酸化窒化物または窒化物（例えば、Ｓｉ３Ｎ４）が想定されるだろう。
【００２３】
いくつかの実施形態では、光電極は、使用中に入射光が照射される太陽電池表面の１つ以上の部分を覆う反射防止層をさらに備えていてもよい。反射防止層を設けることにより、光子吸収の効果が高まる。これらの場合のいくつかでは、太陽電池表面全体を反射防止層で覆ってもよい。
【００２４】
これらの実施形態のいくつかでは、反射防止層は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含んでいてもよい。さらなる例では、反射防止層は、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、一酸化シリコン（ＳｉＯ）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、フッ化セリウム（ＣｅＦ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）を含んでいてもよい。これらの実施形態のいくつかでは、反射防止層は、粗面化された表面を含んでいてもよく、この粗面化された表面は、ナノ構造化技術によって作られてもよい。
【００２５】
いくつかの実施形態では、光電極は、さらに、電極触媒層と樹脂層またはコンタクトパッシベーション層それぞれとの間に配置された第２のパッシベーション層を備えていてもよい。いくつかの例では、第２のパッシベーション層は、二酸化チタン（ＴｉＯ２）を含んでもよい。さらなる例では、他の金属酸化物、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および酸化シリコン（ＳｉＯ２）が想定されるだろう。第２のパッシベーション層は、光電極の腐食に対する安定性を高めるために設けられた、既に存在するコンタクトパッシベーション層を強化する。さらなる代替案では、電子（または正孔）伝導性の樹脂またはポリマーが想定されてもよい。
【００２６】
いくつかの実施形態では、第２のパッシベーション層は、金属酸化物（例えば、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３）の誘電特性に応じて、厚さが１〜２５０ｎｍの範囲であってもよい。Ａｌ２Ｏ３またはＳｉＯ２を用いる場合、状況によっては、トンネル効果に起因して、１〜５ｎｍの厚さが想定され得る。
【００２７】
第２のパッシベーション層は、当技術分野で知られている堆積技術のいずれか、例えば、原子層堆積法（ＡＬＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、パルスレーザ堆積法（ＰＬＤ）、スパッタリング、ゾルゲル法、ブレードコーティング、スクリーン印刷またはエアログラフィ（aerography）を用いて堆積されてもよい。いくつかの実施形態では、第２のパッシベーション層は、さらに、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ニオブ（Ｎｂ）またはバナジウム（Ｖ）などのドープ元素を含んでいてもよい。
【００２８】
いくつかの実施形態では、樹脂層は、高い耐化学薬品性および熱抵抗を有するポリマーから作られてもよい。ある場合には、ポリアミド酸配合物が想定され得る。例えば、Fujifilm Electronic Materialsから市販されているDurimide（登録商標）。これらの例のいくつかでは、樹脂層は、熱抵抗が２００℃以上、体積抵抗が１０１６Ω・ｃｍより高くてもよい。
【００２９】
いくつかの実施形態では、電極触媒は、金属、金属酸化物若しくは金属水酸化物、金属窒化物、金属リン化物または導電性ポリマーから選択されてもよい。電極触媒は、当業者にとって明らかな選択である光電気化学電池内で実施される反応の機能（作用）として選択されてもよい。
【００３０】
いくつかの実施形態では、使用中に、エミッタコンタクトからの電子のみがその移動方向においてコンタクトパッシベーション層を横切り、光電気化学電池の電解質に向かい、一方、コレクタコンタクトからの正の電荷キャリア（正孔）が、コレクタバスバーに集められるように、樹脂層は、コレクタコンタクトに対応するコンタクトパッシベーション層の一部を覆っていてもよい。これらの場合、光電極は、カソードである。したがって、使用中のコレクタバスバーに集められたコレクタコンタクトの正孔を、光電気化学電池の一部を形成する対電極（アノード）へ伝導することができる。
【００３１】
さらなる実施形態では、使用中に、エミッタコンタクトからの正の電荷キャリア（正孔）のみがその移動方向においてコンタクトパッシベーション層を横切り、光電気化学電池の電解質と接触し、一方、コレクタコンタクトからの電子が、コレクタバスバーに集められるように、樹脂層は、コレクタコンタクトに対応するコンタクトパッシベーション層の一部を覆っていてもよい。これらの場合、光電極は、アノードである。したがって、使用中のコレクタバスバーに集められたコレクタコンタクトの電子を、光電気化学電池の一部を形成する対電極（カソード）へ伝導することができる。
【００３２】
さらなる態様では、光電気化学電池が提供されてもよい。光電気化学電池は、実質的に上に記載したような第１の光電極を備えている。第１の光電極は、使用中に入射光がその最表面に照射され、その最裏面が電解質と接触するように配置される。
【００３３】
したがって、光電気化学電池の内側では、全体的なプロセスは２つの主要な部分から成っていてもよい：太陽電池による光吸収による、電荷キャリア生成（エミッタおよびコレクタのコンタクト）、およびこのような励起した光キャリアを利用し、電解質と接触したときに触媒反応を促す。本願発明者らは、実質的に上記の光電極を使用することにより、光電気化学電池の実施例の効率改善が達成されることを見出した。
【００３４】
なおさらなる態様では、実質的に上に記載した光電極を製造する方法が提供される。この方法は、バックコンタクト太陽電池を提供することと、太陽電池裏面を覆うコンタクトパッシベーション層を提供することとを含み、前記コンタクトパッシベーション層には、第１の開口部に対応する第２の開口部が設けられている。この方法は、開口部を封止する樹脂層を設けることであって、その樹脂層が、さらに、コレクタコンタクトに対応するコンタクトパッシベーション層の一部を覆うことと、樹脂層およびコンタクトパッシベーション層をそれぞれ覆う電極触媒層を設けることとをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
本開示の非限定的な例は、添付の図面を参照しつつ以下に記載される。
【００３６】
【図１ａ】一実施形態に係る光電極の断面図を示す。
【００３７】
【図１ｂ】図１ａの分解図を示す。
【００３８】
【図２ａ−２ｂ】一実施形態に係る光アノードおよび光カソードの断面図を示す。
【００３９】
【図２ｃ】エミッタおよびコレクタのコンタクトのinterdigitated（指を組むように組み合う、噛み合い、櫛型）のスキームの上面図を示す。
【００４０】
【図３】光電気化学電池内に配置された図２ａの光カソードの上面図を示す。
【００４１】
【図４】実施例１に係る光電極における個々の光電極電位の関数としての光カソード電流密度（ｊｃａｔｈｏｄｅ）の変化を示す。
【００４２】
【図５ａ】実施例２に係る光電極における個々の光電極電位の関数としての光アノード電流密度（ｊａｎｏｄｅ）の変化を示す。
【００４３】
【図５ｂ】実施例２において電圧の絶対値が印加されたときの時間の関数としてのアノード電流密度（ｊａｎｏｄｅ）を示す。
【００４４】
【図６】実施例３に係る光電極における個々の光電極電位の関数としての光電極電流密度（ｊｃａｔｈｏｄｅ）の変化を示す。
【００４５】
【図７ａ】実施例４ａおよび４ｂに係る個々の光電極電位の関数としての光カソード電流密度（ｊｃａｔｈｏｄｅ）の変化を示す（黒い実線は、Ｐｔを含む光電極の場合−実施例４ａ、灰色の点線は、Ｎｉ−Ｍｏを含む光電極の場合−実施例４ｂ）。
【００４６】
【図７ｂ】Ｐｔを含む光電極の実施例４ａにおいて、電圧の絶対値が印加されたときの時間の関数としての光カソード電流密度（ｊｃａｔｈｏｄｅ）を示す。
【００４７】
【図７ｃ】Ｎｉ−Ｍｏを含む光電極の実施例４ｂにおいて、電圧の絶対値が印加されたときの時間の関数としての光カソード電流密度（ｊｃａｔｈｏｄｅ）を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下の図面全体で、一致する部品には、同じ参照番号が使用される。
【００４９】
図１ａおよび図１ｂは、一実施形態に係る光電極の断面図を示す。
【００５０】
光電極は、最表面１０から、対向する最裏面２０まで延びていてもよい。最表面１０は、使用中に、入射光Ｌが照射され、最裏面２０は、使用中に、光電気化学電池の電解質と接触する。
【００５１】
図１ａおよび図１ｂに示すように、光電極は、バックコンタクト太陽電池１００を備えていてもよく、このバックコンタクト太陽電池１００は、太陽電池表面１１０から、対向する太陽電池裏面１２０まで延びていてもよい。太陽電池表面１１０は、使用中に入射光Ｌが照射される光電極最表面１０を規定してもよい。
【００５２】
この実施形態では、太陽電池裏面１２０は、エミッタコンタクトＥとコレクタコンタクトＣとを備えていてもよい。コンタクトＥとＣは、太陽電池裏面１２０の第１の開口部１０１によって離間されていてもよい。エミッタＥおよびコレクタＣのコンタクトは、互いに組み合っていてもよい（すなわち、交互に並んだ列になるように配置されていてもよい）。図２ｃを参照。エミッタＥおよびコレクタＣのコンタクトは、「指」を規定する交互に組み合わされた様式で配置されてもよく、対向する端部に集められてもよく、エミッタバスバー１１１またはパッドエリアのエミッタコンタクトＥと、コレクタコンタクトＣは、コレクタバスバー１２１またはパッドエリアに集められてもよい。代替的な実施形態では、エミッタコンタクトの領域を、コレクタコンタクトの領域から識別／区別することができ、コレクタコンタクトを、（使用時における）例えば対電極へのさらなる伝導のために集める／集中することができる限り、代替的に配置された他の様式のエミッタおよびコレクタのコンタクトが想定されてもよい。
【００５３】
光電極は、太陽電池裏面１２０を覆うコンタクトパッシベーション層１３０をさらに備えていてもよい。コンタクトパッシベーション層は、光電極が光電気化学電池内で使用されるとき、太陽電池裏面１２０のエミッタＥおよびコレクタＣのコンタクトを、電解質から分離する。これにより、太陽電池裏面に設けられたコンタクトの腐食が減る。これらの場合、コンタクトパッシベーション層１３０は、チタン（Ｔｉ）を含んでいてもよい。または、コンタクトパッシベーション層は、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、またはその合金を含んでいてもよい。
【００５４】
コンタクトパッシベーション層１３０は、太陽電池裏面１２０の第１の開口部１０１に対応する位置に第２の開口部１３１をさらに備えていてもよい。
【００５５】
開口部１０１、１３１を封止するために、樹脂層１４０がさらに設けられてもよい。図１ａおよび図１ｂの実施形態では、樹脂層は、第１の開口部１０１および第２の開口部１３１の内側を覆う部分１４１と、第２の開口部１３１の口部（マウスピース）または口部付近の近傍領域を覆う別の部分１４２とを備えていてもよい。これらの場合、樹脂層は、コレクタコンタクトＣに対応するコンタクトパッシベーション層の部分を覆う部分１４３をさらに備えていてもよい。このようにして、使用中に、エミッタコンタクトＥからの電荷キャリアのみがその移動方向においてコンタクトパッシベーション層１３０を横切って電解質に向かい、一方、コレクタコンタクトＣからの電荷キャリアは、コレクタバスバーに集められる（図２ｃを参照）。代替例では、開口部を封止する樹脂層の部分は、開口部を封止する限り、他の分布（例えば、プラグまたはストレート層）を有していてもよい。
【００５６】
全ての場合に、樹脂層は、Fujifilm Electronic MaterialsからDurimide（登録商標）として市販されるポリアミド酸配合物を含んでいてもよい。
【００５７】
さらに、この実施形態では、電極触媒層１５０は、樹脂層１４０、コンタクトパッシベーション層１３０、またはこれら両方をそれぞれ覆っていてもよい。したがって、電極触媒層１５０は、使用中に電解質と接触する光電極最裏面２０を構成する。
【００５８】
図２ａおよび図２ｂは、それぞれ、別の実施形態に係る光アノードおよび光カソードの断面図を示す。図２ａおよび図２ｂの実施形態は、パッシベーション層１６０が、電極触媒層１５０と、樹脂層１４０またはコンタクトパッシベーション層１３０それぞれとの間に配置されてもよいという点で、図１ａおよび図１ｂの実施形態と異なる。これらの実施形態では、パッシベーション層１６０は、二酸化チタン（ＴｉＯ２）を含んでいてもよい。代替的な実施形態では、パッシベーション層は、他の金属酸化物、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）または二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）を含んでいてもよい。なおさらなる代替案では、電子（または正孔）伝導性の樹脂またはポリマーが想定されてもよい。
【００５９】
図２ａおよび図２ｂの実施形態は、さらに、半導体基板またはウェハを備えるバックコンタクト太陽電池が示されているという点で、図１ａおよび図１ｂの実施形態と異なる。半導体基板は、単結晶または多結晶のシリコン（ｃ−Ｓｉ）半導体基板であってもよい。図２ａでは、ｐ型ｃ−Ｓｉ半導体基板１０２が示され、図２ｂでは、ｎ型ｃ−Ｓｉ半導体基板１０３が示されている。代替的な実施形態では、入射光を吸収して自由電荷キャリアを生成することができる他の半導体基板またはウェハが想定されてもよい。例えば、特に、アモルファスシリコン、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、ＩＩＩ−Ｖ化合物、例えば、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、または、例えば、ＣＩＳ、ケステライト若しくは銅−インジウム−ガリウム−ジセレニド（ＣＩＧＳ）などのカルコゲン化合物である。
【００６０】
いずれの場合も、半導体基板またはウェハは、太陽電池表面（図１ａおよび１ｂを参照）に面する基板表面１０２２、１０３２から、太陽電池裏面に面する対向する基板裏面１０２１、１０３１まで延びていてもよい。基板裏面１０２１、１０３１には、交互に配置された、例えば、（ドープ領域に対応して）コンタクトの列を形成するように互いに組み合った、ｎ＋型ドープ領域１とｐ＋型ドープ領域２が設けられていてもよい。これらの場合、ｎ＋型ドープ領域１およびｐ＋型ドープ領域２は、金属コレクタ１７０によって覆われていてもよく、金属コレクタ１７０には、ｎ＋型ドープ領域１とｐ＋型ドープ領域２との間の接合部に対応する開口部１７１が設けられていてもよい。したがって、金属コレクタは、ドープ領域の形状と一致する幾何学的形状を有していてもよい。この実施形態では、金属コレクタは、例えば、アルミニウムから作られてもよい。または、他の金属、導電性ポリマーまたは導電性金属酸化物（例えば、ＡＺＯまたはＩＴＯ）が想定されてもよい。
【００６１】
さらに、この実施形態では、図２ａおよび図２ｂに示すように、ドープ領域１、２と金属コレクタ１７０との間にパッシベーション層１８０が設けられてもよい。使用中に、開口部１８１によって、電荷キャリアがドープ領域１、２から金属コレクタ１７０へと伝導することができるように、パッシベーション層１８０には、それぞれのドープ領域１、２に対応する、開口部１８１が設けられていてもよい。この場合、パッシベーション層は、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）から作られてもよい。
【００６２】
図２ａの実施形態では、樹脂層１４０は、ｐ＋型ドープ領域２に対応するコンタクトパッシベーション層１３０の部分を覆っていてもよい。これらの場合、ｎ＋型ドープ領域１からの電荷キャリアのみがその移動方向において金属コレクタ１７０およびコンタクトパッシベーション層１３０を横切り、光電気化学電池の電解質に接触することができる。さらに、これらの場合、光電気化学電池内に提供されてもよい対電極に伝導されるように構成されるために、ｐ＋型ドープ領域２からの電荷キャリアは、金属コレクタ１７０によって捕捉され、コレクタバスバーに集められてもよい（図２ｃを参照）。このことは、接合部ｐ／ｐ＋（半導体型／ドープ領域型）が電解質から隔離され、接合部ｐ／ｎ＋が、対応する電荷をこれらのエミッタコンタクトから電極触媒へと伝導するために、電解質と電気的に接続してもよいことを意味する。したがって、光電極は、カソードである。
【００６３】
この実施形態では、電極触媒層１５０は、水を水素に還元することができる水素発生反応（ＨＥＲ）触媒、またはＣＯ２をＣＯ、ＣＨ４、ＨＣＯＯＨおよびＣ２Ｈ４などの生成物へと還元することができるＣＯ２還元触媒から選択される触媒から作られてもよい。代替的な場合、他の触媒、例えば、水溶液中の硝酸塩および亜硝酸塩の還元触媒が想定されてもよい。
【００６４】
図２ｂの実施形態では、樹脂層１４０は、ｎ＋型ドープ領域１に対応するコンタクトパッシベーション層１３０の部分を覆っていてもよい。これらの場合、ｐ＋型ドープ領域２からの電荷キャリアのみがその移動方向において金属コレクタ１７０およびコンタクトパッシベーション層１３０を横切り、光電気化学電池の電解質に向かうことができる。さらに、これらの場合、光電気化学電池内に提供される対電極に伝導されるよう構成されるために、ｎ＋型ドープ領域１からの電荷キャリアは、金属コレクタ１７０によって捕捉され、コレクタバスバーに集められてもよい。このことは、接合部ｎ／ｎ＋（半導体型／ドープ領域型）が電解質から隔離され、接合部ｎ／ｐ＋が、これらのエミッタコンタクトから電極触媒へと伝導される対応する電荷のために、電解質と電気的に接触してもよいことを意味する。したがって、光電極は、アノードである。
【００６５】
この実施形態では、電極触媒層１５０は、酸素発生反応（ＯＥＲ）触媒から選択された触媒から作られてもよい。ＯＥＲ触媒は、水を酸素へと酸化することができる。これらの触媒の例は、ニッケル（Ｎｉ）、鉄−ニッケル合金（Ｎｉ−Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、イリジウム（Ｉｒ）、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）およびその合金、水酸化物、酸化物を含んでいてもよい。代替的な場合、他の触媒、例えば、水溶液中の汚染物質の電気酸化のための触媒が想定されてもよい。
【００６６】
全ての場合に、電極触媒層は、光電極が光アノードまたは光カソードである場合、電気化学セルで実行される反応、すなわち、還元または酸化される標的分子において、光電極に依存してもよい。一般に、光電極が光アノードである場合、良好な酸素放出体、例えば、水を酸素へと酸化することができるＯＥＲ触媒が望ましい。光電極が光カソードである場合、水を水素に還元することができる電極触媒（ＨＥＲ触媒）が望ましい。または、ＣＯ２をギ酸塩へと還元するとき、ＳｎなどのＣＯ２を生成物に還元することができる電極触媒が望ましい。
【００６７】
さらなる場合には、電極触媒は、金属、金属酸化物若しくは金属水酸化物、金属窒化物、金属リン化物または導電性ポリマーから選択されてもよい。一般に、目的は、所望の酸化または還元反応に適した電極触媒を提供することである。電極触媒は、いくつかの方法によって、活性表面積を高めるために、電極表面に、保護コーティングに（ＴｉＯ２として）、またはより多孔性で伝導性の基板に、金属メッシュまたはフォーム（foam）として、直接的に堆積されてもよく、それにより、電解質との接触表面での電気的移動が向上する。
【００６８】
図２ａおよび図２ｂの実施形態は、基板表面１０２２、１０３２がテクスチャ加工されていてもよいという点で、図１ａおよび１ｂの実施形態とさらに異なる。これらの場合、テクスチャは逆ピラミッドの形状であってもよい。他の代替形状も想定され得る。テクスチャ形状を提供する態様は、反射光が周囲の空気にではなく表面に跳ね返る可能性を高めることによって、反射を減少させる。これは、有効光子吸収がこのようにして増加することを意味する。これらの場合、逆ピラミッド形状によって形成された傾斜経路は、有効な光吸収を増加させる。
【００６９】
また、図２ａおよび図２ｂの実施形態は、基板表面１０２２、１０３２を覆う反射防止層１９０を設けてもよいという点で、図１ａおよび図１ｂの実施形態とは異なる。これらの実施形態では、反射防止層は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含んでいてもよい。または、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、一酸化シリコン（ＳｉＯ）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、フッ化セリウム（ＣｅＦ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）または二酸化チタン（ＴｉＯ２）などの他の反射防止材料を使用してもよい。反射防止層を設けると、少なくとも入射光の反射率を下げることによって、光子吸収を向上させる。
【００７０】
さらに、これらの実施形態では、反射防止層は、基板表面全体を覆うように設けられてもよい。より多くの場合、基板表面は、反射防止層によって部分的にのみ覆われていてもよい。
【００７１】
実質的に上記の反射防止層は、平坦な表面を有する基板にさらに提供されてもよい。
【００７２】
実質的に上記の全ての光電極を光電気化学電池に使用してもよい。
【００７３】
図２ｃは、図２ａまたは図２ｂのいずれかの互いに組み合ったエミッタおよびコレクタのコンタクトの上面図を示す。この図では、ドープ領域の互いに組み合った配置は、交互に配置され、それぞれがバスバーまたはパッドエリア１１１、１２１まで延びる列または指１１、１２（エミッタおよびコレクタのコンタクトに対応する）として明確に特定され得る。ここで、対電極に伝達するために、有効電流を集めることができる。この実施形態では、「バスバー」またはパッドエリア１１１、１２１は、太陽電池のドープ領域の長手方向の長さに沿って、両端に設けられている。
【００７４】
図３は、電解質で満たされた区画（例えば、タンク）３を備えていてもよい、一実施形態の光電気化学電池を示す。区画３の壁には、実質的に図２ａに示すような第１の光電極５（すなわち、光カソード）が設けられていてもよい。代替的な場合、第１の光電極は、実質的に図１ａ、１ｂまたは２ｂのいずれかに示すものであってもよい。
【００７５】
さらに、図３の実施形態では、第２の電極４は、第１の光電極５から離間された状態で区画３の内部に配置されてもよい。この場合、第２の電極４は、アノードであり得る。第１の光電極と第２の電極とは、互いに電気的に接続されていてもよく、それにより、電池の電極および電解質の種類の機能として、予想される化学反応が生じる。また、第１の光電極５および第２の電極４から離間された状態で、電解質内にイオン交換セパレータ６をさらに設けてもよい。したがって、イオン交換セパレータを設けることにより、区画を２つのサブ区画に分割することができる。状況に応じて、各サブ区画において、異なる電解質または同じ電解質を使用することができる。例えば、カソード液およびアノード液が想定されるだろう。
【００７６】
一般に、イオン交換セパレータは、アノード液およびカソード液に対して耐化学薬品性の膜であってもよく、したがって、イオン交換セパレータは光電気化学電池内で実施される反応に依存する。ある場合には、陽イオン交換膜を使用してもよい。他の場合には、陰イオン交換膜を使用してもよい。
【００７７】
カチオンイオン交換膜の例は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）骨格であって、エーテル結合によってその骨格に結合した、異なる長さのペルフルオロ化側鎖を有し、末端がスルホン酸（−ＳＯ３Ｈ）であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）骨格を含み、以下の構造である。
【００７８】
【化１】
2019507240.tif 000003
【００７９】
式中、ｍは０〜３の整数であり（好ましくは、ｍ＝１、２または３）、ｎは２より大きな整数であり（好ましくは２または３）、ｘおよびｙはそれぞれ１〜１００の整数であり（好ましくは３〜８０の整数）、Ｍは、Ｈ、または、例えばそれぞれＮａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｃａ、Ｍｇなどのアルカリ金属若しくはアルカリ土類金属である。
【００８０】
陰イオン交換膜の例は、遊離ＯＨ−イオンの移動を促進するために官能基として四級アミンを有するポリマー骨格で構成されていてもよく、これを本開示において使用してもよく、トリメチルアンモニウム（ＴＭＡ）、メチル−イミダゾリウム、ペンタ−メチル−グアニジニウムおよびジアザビシクロ［２，２，２］オクタンおよび誘導体を含む。
【００８１】
他のセパレータは、金属酸化物ベースのナノ濾過膜またはセラミック系イオン伝導膜などが想定されるだろう。
【００８２】
図３の拡大された詳細図は、第１の光電極の断面図を示す。この断面図は、パッシベーション層（図２ａの符号１６０）を除去し得るという点で、図２ａの断面図とは異なる。
【００８３】
図３の拡大された詳細図にさらに示されるように、光カソードは、タンク３の外側に面する反射防止層１９０と共に配置されてもよい。さらに、光カソードは、さらに、区画３の内部に提供され得る電解質溶液と接触させるために、区画３の内部に面する電極触媒層１５０と共に配置されてもよい。
【００８４】
図３の拡大された詳細図は、イオン交換セパレータ６および第２の電極４のコンタクト４１も示す。接続ケーブル７は、第２の電極４のコンタクト４１を、第１の光電極（光カソード）の対応するバスバー（コレクタ）に接続することができる。
【００８５】
全ての場合に、実質的に上記の光電極を、電解質を含む光電気化学電池に導入し、対応するバスバーとの電気的な接続を作り出すために、光電極は、コレクタバスバーの電気的な接続を可能にするホルダー内に設けられてもよく、電解質との電気的な接続による短絡を防ぐためにガスケットを備えていてもよい。
【００８６】
より多くの代替案では、第２の電極は、実質的に上記の光電極（例えば、図２ａまたは図２ｂの例から選択されるもの）であってもよい。これらの場合、第１の光電極の半導体基板型は、第２の光電極の半導体型と異なっていてもよい。このことは、第１の光電極がｎ型半導体基板（光アノード）を含む場合、第２の光電極は、ｐ型半導体基板（光カソード）を含み、またはその逆であることを意味する。
【００８７】
いくつかの実施形態では、光電気化学電池内で実施される予想される反応に応じて、電解質は、式ＭｍＸｎの塩を含んでいてもよく、式中、Ｍは、マグネシウム、カルシウム、リチウム、カリウムおよびナトリウムから選択されてもよく、Ｘは、炭酸塩、重炭酸塩、硫酸塩、水酸化物およびハロゲン化物から選択される弱酸または強酸のアニオンから選択されてもよい。これらの場合のいくつかでは、電解質は、ＮａＨＣＯ３、ＮａＣＯ２ＣＨ３、ＫＨＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３、Ｎａ２ＳＯ４、Ｋ２ＳＯ４、ＫＣｌおよびＫＣｌＯ４から選択されてもよい。
【００８８】
さらなる実施形態では、支持電解質は、式ＭｍＹｎの塩を含んでいてもよく、ここで、Ｍは、リチウム、カリウム、ナトリウム、マグネシウム、カルシウムおよびストロンチウムから選択されてもよく、Ｙは、水酸化物イオン、またはハロゲン化物、硫酸塩、硝酸塩、塩素酸塩およびリン酸塩から選択される鉱酸に由来する対イオンのいずれかであってもよい。これらの場合のいくつかでは、電解質は、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｈ２ＳＯ４、ＫＣｌ、ＨＣＩ、Ｈ３ＰＯ４、ＮａＨＣＯ３、Ｋ２ＨＰＯ４、Ｋ２ＳＯ４およびＮａ２ＳＯ４から選択されてもよい。
【００８９】
さらなる実施形態では、接触構造に応じて、光アノードとして、または光カソードとして作用するかどうかにかかわらず、生産性および効率を高めつつ、例えば、水またはＣＯ２の光還元において異なる生成物を得るための異なる反応について実質的に上記の光電極の適用を最適化するために、他のパッシベーション層または異なる電極触媒層は使用されてもよい。
【００９０】
いくつかの実施形態では、入射光は、自然太陽光または例えばシリコンの吸収範囲を含む任意の種類の放射線源であってもよい。これは、太陽スペクトルの中心範囲の波長を有する実質的に任意の放射線源を意味する。一般的には、３５０〜１１００ｎｍ領域の波長を含む入射光を使用してもよい。
【００９１】
実験手順
実質的に上に記載したように光電極を製造するために、出発点は、ＩＢＣ技術のバックコンタクト太陽電池であった。ＩＢＣ太陽電池は、Polytechnic University of Catalonia（ＵＰＣ）によって製造された。
【００９２】
使用されたＩＢＣ太陽電池は、有効面積が９ｃｍ２（３×３ｃｍ）である。このようにして、標準的な４インチのそれぞれのシリコンウエハから、４つのＩＢＣ太陽電池を製造した。
【００９３】
図２ａおよび図２ｂに関連して実質的に説明したような断面を有するＩＢＣ太陽電池を製造した。このことは、これらの電池が、太陽電池の長さ方向に沿って、列または指型（図２ｃの参照１１および１２）で配置された、ｎ型およびｐ型の互いに組み合ったドープ領域（図２ａおよび図２ｂの参照１および２）を含んでいたことを意味する。ドープ領域は、厚さが３〜５ミクロンのアルミニウム層（図２ａおよび図２ｂの金属コレクタ１７０）によって覆われていた。
【００９４】
これらのＩＢＣ太陽電池について以下の実施例を実施した。
【００９５】
実施例１−水素発生のための光カソード
ＩＢＣ太陽電池は、シリコン製の、厚さ２８０μｍのｐ型ウェハを備えていた。
ＩＢＣ太陽電池の金属コレクタの上面に、２５ｎｍのチタン（Ｔｉ）層を設けた。チタン層は、電子線プロセスによって設けられた。
厚さ２ミクロンのDurimide（登録商標）層（例えば、Fujifilmから市販されている樹脂）を堆積させ、例えば図２ａに関連して説明したように、開口部とｐ＋型ドープ領域を封止した。
Durimide（登録商標）層は、スピンコーティングプロセスによって設けられ、スピンコーティングプロセスの後に、ネガ型曝露マスクを用いたフォトリソグラフィプロセスを実施し、使用中にｎ＋型ドープ領域からの電荷キャリアが電解質に到達し、エミッタバスバーからの電気的な接続が可能になるように、ｎ＋型ドープ領域およびエミッタバスバーに対応する領域を発現させた。エミッタコンタクトとコレクタコンタクトの間を確実に絶縁するために、コレクタバスバー領域内に、約５０ミクロンの小さなオーバーラップが作製された。
厚さが約１００ｎｍのＴｉＯ２層を、原子層堆積（ＡＬＤ）により２００℃、３７００サイクルで堆積させた。
厚さが約２ｎｍの白金（Ｐｔ）層を、熱蒸着によりＴｉＯ２層上に堆積させ、２００℃の減圧条件下で１時間、さらにアニールした。
光電極に、３００ＷのＸｅランプとＡＭ１．５Ｇフィルタを備えたソーラーシミュレーターSolar Light 16Sを用いて照射し、１００ｍＷｃｍ−２の放射束を作り出した。
照射された光電極を、０．５ＭのＨ２ＳＯ４を含む電解質と接触させた。
【００９６】
図４は、光電極の電流密度（ｊｃａｔｈｏｄｅ）の変化が、個々の光電極電位の関数として示される、光カソードのサイクリックボルタンメトリーを示す。スキャン速度は、２０ｍＶ／ｓであった。容積測定から、水素ファラデ効率が９５％であると概算された。
【００９７】
実施例２−酸素発生のための光アノード−対電極における水素発生またはＣＯ２還元触媒
ＩＢＣ太陽電池は、シリコン製の、厚さ２８０μｍのｎ型ウェハを備えていた。
ＩＢＣ太陽電池の金属コレクタの上面に、３０ｎｍのチタン（Ｔｉ）層を設けた。チタン層は、蒸着プロセスによって設けられた。
厚さ５ミクロンのDurimide（登録商標）層（例えば、Fujifilmから市販されている樹脂）を堆積させ、例えば図２ｂに関連して説明したように、開口部とｎ＋型ドープ領域を封止した。
Durimide（登録商標）層は、スピンコーティングによって設けられ、スピンコーティングプロセスの後に、ネガ型曝露マスクを用いたフォトリソグラフィプロセスを実施し、使用中にｐ＋型ドープ領域からの電荷キャリアが電解質に到達し、エミッタバスバーからの電気的な接続が可能になるように、ｐ＋型ドープ領域およびエミッタバスバーに対応する領域を発現させた。エミッタコンタクトとコレクタコンタクトの間を確実に絶縁するために、コレクタバスバー領域内に、約５０ミクロンの小さなオーバーラップが作製された。
厚さが約１００ｎｍのＴｉＯ２層を、原子層堆積（ＡＬＤ）により１５０℃、３７００サイクルで堆積させた。
厚さが約２５ｎｍのニッケル（Ｎｉ）層を、熱蒸着によりＴｉＯ２層上に堆積させた。
光電極に、３００ＷのＸｅランプとＡＭ１．５Ｇフィルタを備えたソーラーシミュレーターSolar Light 16Sを用いて照射し、１００ｍＷｃｍ−２の放射束を作り出した。
照射された光電極を、１ＭのＫＯＨを含む電解質と接触させた。
【００９８】
図５ａは、光電極の電流密度（ｊａｎｏｄｅ）の変化が、個々の光電極電位の関数として示される、光アノードのサイクリックボルタンメトリーを示す。スキャン速度は、２０ｍＶ／ｓであった。
【００９９】
１時間の安定性試験を図５ｂに示す。図５ｂは、時間の関数としてのアノード電流密度（ｊａｎｏｄｅ）を示す。印加された電圧は、可逆水素電極（ＲＨＥ）に対し、１．２３Ｖであった。最初の５分間に約１５〜２０％の初期損失があり、その後、光電流は１時間安定していた。
【０１００】
実施例３−水素発生のための光カソード
ＩＢＣ太陽電池は、シリコン製の、厚さ２８０μｍのｐ型ウェハを備えていた。
ＩＢＣ太陽電池の金属コレクタの上面に、３０ｎｍのチタン（Ｔｉ）層を設けた。チタン層は、蒸着プロセスによって設けられた。
厚さ５ミクロンのDurimide（登録商標）層（例えば、Fujifilmから市販されている樹脂）を堆積させ、例えば図２ａに関連して説明したように、開口部とｐ＋型ドープ領域を封止した。
Durimide（登録商標）層は、スピンコーティングプロセスによって設けられ、スピンコーティングプロセスの後に、ネガ型曝露マスクを用いたフォトリソグラフィプロセスを実施し、使用中にｎ＋型ドープ領域からの電荷キャリアが電解質に到達し、エミッタバスバーからの電気的な接続が可能になるように、ｎ＋型ドープ領域およびエミッタバスバーに対応する領域を発現させた。エミッタコンタクトとコレクタコンタクトの間を確実に絶縁するために、コレクタバスバー領域内に、約５０ミクロンの小さなオーバーラップが作製された。
厚さが約５ｎｍの白金（Ｐｔ）層を、熱蒸着により樹脂層上に堆積させ、さらにドロップキャストを行った。
光電極に、３００ＷのＸｅランプとＡＭ１．５Ｇフィルタを備えたソーラーシミュレーターSolar Light 16Sを用いて照射し、１００ｍＷｃｍ−２の放射束を作り出した。
照射された光電極を、０．５ＭのＨ２ＳＯ４を含む電解質と接触させた。
【０１０１】
図６は、光電極の電流密度（ｊｃａｔｈｏｄｅ）の変化が、個々の光電極電位の関数として示される、光カソードのサイクリックボルタンメトリーを示す。スキャン速度は、２０ｍＶ／ｓであった。
【０１０２】
実施例４ａ−Ｈ２発生のための光カソード
ＩＢＣ太陽電池は、シリコン製の、厚さ２８０μｍのｐ型ウェハを備えていた。
ＩＢＣ太陽電池の金属コレクタの上面に、２５ｎｍのチタン（Ｔｉ）層を設けた。チタン層は、電子線プロセスによって設けられた。
厚さ５ミクロンのDurimide（登録商標）層（例えば、Fujifilmから市販されている樹脂）を堆積させ、例えば図２ａに関連して説明したように、開口部とｐ＋型ドープ領域を封止した。
Durimide（登録商標）層は、スピンコーティングプロセスによって設けられ、スピンコーティングプロセスの後に、ネガ型曝露マスクを用いたフォトリソグラフィプロセスを実施し、使用中にｎ＋型ドープ領域からの電荷キャリアが電解質に到達し、エミッタバスバーからの電気的な接続が可能になるように、ｎ＋型ドープ領域およびエミッタバスバーに対応する領域を発現させた。エミッタコンタクトとコレクタコンタクトの間を確実に絶縁するために、コレクタバスバー領域内に、約５０ミクロンの小さなオーバーラップが作製された。
ニッケルエポキシ樹脂の保護伝導性層（厚さが約５００ミクロン）を室温で堆積させ、白金（Ｐｔ）を用いた電着によってコーティングされた厚さが約１．６ｍｍのニッケルフォームを、樹脂の上面に配置した。次いで、金属フォーム（すなわち、白金でコーティングされたニッケルフォーム）の良好な接着を確実にするために、この伝導性ポリマーを１５０℃で１時間硬化させた。
光電極に、３００ＷのＸｅランプとＡＭ１．５Ｇフィルタを備えたソーラーシミュレーターSolar Light 16Sを用いて照射し、１００ｍＷｃｍ−２の放射束を作り出した。
照射された光電極を、０．５ＭのＨ２ＳＯ４を含む電解質と接触させた。
【０１０３】
実施例４ｂ−Ｈ２発生のための光カソード
実施例４ｂは、ニッケルフォームが、白金ではなく、ニッケル−モリブデン（Ｎｉ−Ｍｏ）を用いた電着によってコーティングされたという点で、実施例４ａとは異なる。
光電極に、３００ＷのＸｅランプとＡＭ１．５Ｇフィルタを備えたソーラーシミュレーターSolar Light 16Sを用いて照射し、１００ｍＷｃｍ−２の放射束を作り出した。
Ｎｉ−Ｍｏを含む照射された光電極を、１ＭのＫＯＨを含む電解質と接触させた。
【０１０４】
図７ａは、実施例４ａおよび４ｂの光カソードのサイクリックボルタンメトリーを示す（黒い実線は、実施例４ａの光電極の場合、灰色の点線は、実施例４ｂの光電極の場合）。ここで、光電極電流密度（ｊｃａｔｈｏｄｅ）の変化は、個々の光電極電位の関数として示される。スキャン速度は、２０ｍＶ／ｓであった。
【０１０５】
１時間の安定性試験を図７ｂおよび図７ｃに示す。図７ｂおよび図７ｃは、それぞれ、Ｐｔを含む光電極（すなわち実施例４ａの光電極）およびＮｉ−Ｍｏを含む光電極（すなわち実施例４ｂの光電極）について、時間の関数としてカソード電流密度（ｊｃａｔｈｏｄｅ）を示す。印加された電圧は、Ｐｔを含む光電極について、可逆水素電極（ＲＨＥ）に対して０．３Ｖであり、Ｎｉ−Ｍｏを含む光電極について、可逆水素電極（ＲＨＥ）に対して０Ｖであった。
【０１０６】
多くの例のみが本明細書に開示されているが、他の代替、変更、使用および／または同等物が可能である。さらに、記載された実施例の全ての可能な組み合わせも包含される。したがって、本開示の範囲は、特定の例によって制限されるべきではなく、以下の特許請求の範囲を公正に読むことによってのみ決定されるべきである。
【図１Ａ】
2019507240.tif 000004
【図１ｂ】
2019507240.tif 000005
【図２Ａ】
2019507240.tif 000006
【図２Ｂ】
2019507240.tif 000007
【図２Ｃ】
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【図３】
2019507240.tif 000009
【図４】
2019507240.tif 000010
【図５ａ】
2019507240.tif 000011
【図５ｂ】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【国際調査報告】
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