(57)【要約】      （修正有）【課題】太陽電池が受光することにより生じる起電力を利用して水素製造と水処理の両方を行うことができる水電解装置を提供する。【解決手段】水電解装置２３は、受光面とその裏面を有し、かつ、受光することにより前記受光面と前記裏面との間に電位差が生じる光電変換部２と、前記光電変換部の裏面側に設けられ、かつ、前記光電変換部の裏面と電気的に接続した第１電解用電極４と、前記光電変換部の裏面側に設けられ、かつ、前記光電変換部の受光面と電気的に接続した第２電解用電極５と、水が流通するように設けられた流路１２とを備え、第１電解用電極および第２電解用電極は、前記流路内の水に浸漬可能に設けられ、かつ、前記光電変換部が受光することより生じる起電力により水を電気分解し第１気体および第２気体をそれぞれ発生させるように設けられ、第１気体および第２気体のうち一方は水素であり、他方は酸素である。【選択図】図３
2012041623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面とその裏面を有し、かつ、受光することにより前記受光面と前記裏面との間に電位差が生じる光電変換部と、
前記光電変換部の裏面側に設けられ、かつ、前記光電変換部の裏面と電気的に接続した第１電解用電極と、
前記光電変換部の裏面側に設けられ、かつ、前記光電変換部の受光面と電気的に接続した第２電解用電極と、水が流通するように設けられた流路とを備え、
第１電解用電極および第２電解用電極は、前記流路内の水に浸漬可能に設けられ、かつ、前記光電変換部が受光することより生じる起電力により水を電気分解し第１気体および第２気体をそれぞれ発生させるように設けられ、
第１気体および第２気体のうち一方は水素であり、他方は酸素である水電解装置。
【請求項２】
前記流路は、第１電解用電極が流路内に形成された第１流路と、第２電解用電極が流路内に形成された第２流路と、連通流路から構成され、
第１流路および第２流路は、それぞれ複数であり、かつ、交互に並列に設けられ、
前記連通流路は、隣接する第１流路と第２流路を連通させる請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第１電解用電極および第２電解用電極は、それぞれ複数であり、かつ、交互に並列に設けられ、
隣接する第１電解用電極と第２電解用電極との間にそれぞれ設けられ、かつ、前記連通流路を有する複数の隔壁をさらに備え、
第１流路は、第１電解用電極に隣接する隔壁により形成され、
第２流路は、第２電解用電極に隣接する隔壁により形成された請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記隔壁は、イオン交換体を含む請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記隔壁は、帯状であり、
前記連通流路は、前記隔壁の長さ方向の端部に形成された請求項３または４に記載の装置。
【請求項６】
前記連通流路は、第１流路と第２流路とに水が交互に流通するように設けられた請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記流路に水を供給する給水口と、
前記流路から水を排出する排水口とをさらに備える請求項１〜６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
前記給水口に導通した送液用ポンプをさらに備え、
前記送液用ポンプは前記流路に水を流すことができるように設けられた請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記給水口に供給する水中の夾雑物を取り除くためのろ過フィルターをさらに備える請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記給水口に供給する水中の微生物量を測定する微生物量測定装置をさらに備え、
前記送液用ポンプは、前記微生物量測定装置により測定された微生物量に応じて前記給水口に供給する水量を変化させる請求項８または９に記載の装置。
【請求項１１】
前記光電変換部の裏面側に背面基板をさらに備え、
前記流路は、前記光電変換部の裏面と前記背面基板との間に設けられた請求項１〜１０のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１２】
透光性基板をさらに備え、
前記光電変換部は、前記受光面が前記透光性基板側となるように前記透光性基板上に設けられた請求項１〜１１のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１３】
前記光電変換部の受光面に接触し、かつ、前記透光性基板上に設けられた第１電極と、
第１電極および第２電解用電極にそれぞれ接触する第１導電部とをさらに備える請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記光電変換部は、裏面から受光面へ貫通するコンタクトホールを有し、
第１導電部は、前記コンタクトホールに設けられた請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
絶縁部をさらに備え、
第２電解用電極は、前記絶縁部を介して前記光電変換部の裏面上に設けられた請求項１〜１４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１６】
前記光電変換部の裏面上に設けられた第２電極をさらに備え、
第１電解用電極は、前記第２電極上に設けられた請求項１〜１５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１７】
前記光電変換部は、ｐ型半導体層、ｉ型半導体層およびｎ型半導体層を備える光電変換層を有する請求項１〜１６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１８】
第１電解用電極および第２電解用電極のうち、一方は、水からＨ2を発生させる水素発生部であり、他方は、水からＯ2を発生させる酸素発生部であり、
前記水素発生部および前記酸素発生部は、それぞれ水からＨ2が発生する反応の触媒および水からＯ2が発生する反応の触媒を含む請求項１〜１７のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１９】
前記水素発生部および前記酸素発生部のうち少なくとも一方は、触媒が担持された多孔質の導電体から形成された請求項１８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の懸念から発電に伴いＣＯ2が発生しない太陽電池が普及しつつある。しかし、太陽電池を用いた発電は、時間帯により発電量が変動し、また、季節によっても発電量が変動するという課題がある。この課題を解決するために、太陽電池により発電した電力を水の電気分解により生じる水素として貯蔵し、この水素を燃料とする燃料電池の発電により発電量の変動を解消する発電システムが考えられている。このため、太陽電池と電解槽を組み合わせた技術が提案されている（例えば特許文献１）。
【０００３】
一方、冷却塔などで使用される循環水は、細菌、藻類などの微生物が発生しやすい。この循環水を殺菌処理する方法として、処理水を電圧が印加した電解用電極に接触させることにより殺菌処理する電解処理法などがある（例えば特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２８８９５５号公報
【特許文献２】特開２００４−１９５３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、太陽電池と電解液槽との組み合わせにより、水素製造と水処理の両方を行うことができる装置は知られていない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、太陽電池が受光することにより生じる起電力を利用して水素製造と水処理の両方を行うことができる水電解装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、受光面とその裏面を有し、かつ、受光することにより前記受光面と前記裏面との間に電位差が生じる光電変換部と、前記光電変換部の裏面側に設けられ、かつ、前記光電変換部の裏面と電気的に接続した第１電解用電極と、前記光電変換部の裏面側に設けられ、かつ、前記光電変換部の受光面と電気的に接続した第２電解用電極と、水が流通するように設けられた流路とを備え、第１電解用電極および第２電解用電極は、前記流路内の水に浸漬可能に設けられ、かつ、前記光電変換部が受光することより生じる起電力により水を電気分解し第１気体および第２気体をそれぞれ発生させるように設けられ、第１気体および第２気体のうち一方は水素であり、他方は酸素である水電解装置を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、光電変換部の受光面と電気的に接続する第２電解用電極と、光電変換部の裏面と電気的に接続する第１電解用電極とを水に浸漬させることができるため、光電変換部に光を入射させることにより、第１電解用電極および第２電解用電極において水を電気分解し水素および酸素を発生させることができる。
本発明によれば、光電変換部の裏面側に第１電解用電極と第２電解用電極を設けるため、光電変換部の受光面に水を介さず光を入射させることができ、水による入射光の吸収や入射光の散乱を防止することができる。このことにより、光電変換部への入射光の量を多くすることができ、光利用効率を高くすることができる。
【０００８】
本発明によれば、光電変換部の裏面側に第１電解用電極および第２電解用電極を設けるため、受光面に入射する光が、第１電解用電極および第２電解用電極、ならびにそこから発生する水素及び酸素により吸収や散乱されることはない。このことにより、光電変換部への入射光の量を多くすることができ、光利用効率を高くすることができる。
本発明によれば、水が流通するように設けられた流路を備え、第１電解用電極および第２電解用電極は、前記流路内の水に浸漬可能に設けられるため、第１電解用電極または第２電解用電極に前記流路を流通する水を接触させることができる。このため、光電変換部に光を入射させ、第１電解用電極と第２電解用電極との間に電位差を生じさせた状態で、前記流路に水を流すことにより、水に含まれる細菌などを効率的に第１電解用電極または第２電解用電極に接触にさせ殺菌することができる。従って、前記流路に殺菌処理を行いたい処理水を流通させることにより、処理水の殺菌処理を行うことができる。
本発明によれば、前記流路に水を流通させることができるため、第１電解用電極および第２電解用電極の表面で生じた気泡を上昇しやすくすることができ、水分解反応を阻害することを抑制することができる。
本発明によれば、光電変換部と電解用電極とを備えた装置により、水素の製造と水処理の両方を行うことができるため、省スペース化を図ることができ、また、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態の水分解装置の構成を示す概略平面図である。
【図２】図１、３の点線Ａ−Ａにおける水分解装置の概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態の水分解装置の構成を示す概略裏面図である。
【図４】本発明の一実施形態の水分解装置の構成を示す概略平面図である。
【図５】本発明の一実施形態の水分解装置の構成を示す説明図である。
【図６】本発明の一実施形態の水分解装置の概略回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の水電解装置は、受光面とその裏面を有し、かつ、受光することにより前記受光面と前記裏面との間に電位差が生じる光電変換部と、前記光電変換部の裏面側に設けられ、かつ、前記光電変換部の裏面と電気的に接続した第１電解用電極と、前記光電変換部の裏面側に設けられ、かつ、前記光電変換部の受光面と電気的に接続した第２電解用電極と、水が流通するように設けられた流路とを備え、第１電解用電極および第２電解用電極は、前記流路内の水に浸漬可能に設けられ、かつ、前記光電変換部が受光することより生じる起電力により水を電気分解し第１気体および第２気体をそれぞれ発生させるように設けられ、第１気体および第２気体のうち一方は水素であり、他方は酸素である。
本発明の水分解装置において、水とは、Ｈ2Ｏを主成分とする液体であり、蒸留水であってもよく、水を溶媒とし溶質を含む水溶液であってもよい。
【００１１】
本発明の水電解装置において、前記流路は、第１電解用電極が流路内に形成された第１流路と、第２電解用電極が流路内に形成された第２流路と、連通流路から構成され、第１流路および第２流路は、それぞれ複数であり、かつ、交互に並列に設けられ、前記連通流路は、隣接する第１流路と第２流路を連通させることが好ましい。
このような構成によれば、前記流路を流通する水が第１電解電極または第２電解用電極に接触する機会を多くなるように前記流路を形成することができる。
本発明の水電解装置において、第１電解用電極および第２電解用電極は、それぞれ複数であり、かつ、交互に並列に設けられ、隣接する第１電解用電極と第２電解用電極との間にそれぞれ設けられ、かつ、前記連通流路を有する複数の隔壁をさらに備え、第１流路は、第１電解用電極に隣接する隔壁により形成され、第２流路は、第２電解用電極に隣接する隔壁により形成されることが好ましい。
このような構成によれば、前記流路を流通する水が第１電解電極または第２電解用電極に接触する機会を多くすることができ、前記流路を流通させる水をより効率的に殺菌処理を行うことができる。
【００１２】
本発明の水電解装置において、前記隔壁はイオン交換体を含むことが好ましい。
このような構成によれば、第１流路を流れる水と第２流路と流れる水との間のイオン濃度の不均衡を解消することができ、安定して水素および酸素を発生させることができる。
本発明の水電解装置において、前記隔壁は、帯状であり、前記連通流路は、前記隔壁の長さ方向の端部に形成されることが好ましい。
このような構成によれば、前記流路を流通する水が第１電解電極または第２電解用電極に接触する機会を多くすることができ、前記流路を流通させる水をより効率的に殺菌処理を行うことができる。
【００１３】
本発明の水電解装置において、前記連通流路は、第１流路と第２流路とに水が交互に流通するように設けられることが好ましい。
このような構成によれば、前記流路を流通する水が第１電解電極または第２電解用電極に接触する機会を多くすることができ、前記流路を流通させる水をより効率的に殺菌処理を行うことができる。
本発明の水電解装置において、前記流路に水を供給する給水口と、前記流路から水を排出する排水口とをさらに備えることが好ましい。
このような構成によれば、流路に水を流通させることができる。
【００１４】
本発明の水電解装置において、前記給水口に導通した送液用ポンプをさらに備え、前記送液用ポンプは前記流路に水を流すことができるように設けられることが好ましい。
このような構成によれば、流路に水を流通させることができる。
本発明の水電解装置において、前記給水口に供給する水中の夾雑物を取り除くためのろ過フィルターをさらに備えることが好ましい。
このような構成によれば、流路に夾雑物が入り込むことを防止することができる。
【００１５】
本発明の水電解装置において、前記給水口に供給する水中の微生物量を測定する微生物量測定装置をさらに備え、前記送液用ポンプは、前記微生物量測定装置により測定された微生物量に応じて前記給水口に供給する水量を変化させることが好ましい。
このような構成によれば、第１流路および第２流路を流れる水量を水中の微生物量に応じて変化させることができ、水中の微生物量が多い場合には流量を多くすることにより水中の微生物と第１電解用電極または第２電解用電極とが接触する機会を多くし殺菌作用を高めることができ、水中の微生物量が少ない場合には流量を少なくすることにより送液用ポンプの消費電力を抑制することができる。
本発明の水電解装置において、前記光電変換部の裏面側に背面基板をさらに備え、前記流路は、前記光電変換部の裏面と前記背面基板との間に設けられることが好ましい。
このような構成によれば、第１電解用電極、隔壁および背面基板により形成された第１流路および第２電解用電極、隔壁および背面基板により形成された第２流路を形成することができる。
【００１６】
本発明の水電解装置において、透光性基板をさらに備え、前記光電変換部は、前記受光面が前記透光性基板側となるように前記透光性基板上に設けられることが好ましい。
このような構成によれば、透光性基板の上に光電変換部を形成できる。
本発明の水電解装置において、前記光電変換部の受光面に接触し、かつ、前記透光性基板上に設けられた第１電極と、第１電極および第２電解用電極にそれぞれ接触する第１導電部とをさらに備えることが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部の受光面と第２電解用電極とを電気的に接続することができる。
【００１７】
本発明の水電解装置において、前記光電変換部は、裏面から受光面へ貫通するコンタクトホールを有し、第１導電部は、前記コンタクトホールに設けられることが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部の受光面と第２電解用電極とを電気的に接続することができ、光電変換部の受光面の電位と第２電解用電極の電位とをほぼ同じにすることができる。
本発明の水電解装置において、絶縁部をさらに備え、第２電解用電極は、前記絶縁部を介して前記光電変換部の裏面上に設けられることが好ましい。
このような構成によれば、リーク電流の発生を抑制することができる。
【００１８】
本発明の水電解装置において、前記光電変換部の裏面上に設けられた第２電極をさらに備え、第１電解用電極は、前記第２電極上に設けられることが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部の裏面と第１電解用電極とを電気的に接続することができる。
本発明の水電解装置において、前記光電変換部は、ｐ型半導体層、ｉ型半導体層およびｎ型半導体層を備える光電変換層を有することが好ましい。
このような構成によれば、光電変換部がｐｉｎ構造を有することができ、効率よく光電変換をすることができる。また、光電変換部で生じる起電力をより大きくすることができ、水をより効率的に電気分解することができる。
【００１９】
本発明の水電解装置において、第１電解用電極および第２電解用電極のうち、一方は、水からＨ2を発生させる水素発生部であり、他方は、水からＯ2を発生させる酸素発生部であり、前記水素発生部および前記酸素発生部は、それぞれ水からＨ2が発生する反応の触媒および水からＯ2が発生する反応の触媒を含むことが好ましい。
このような構成によれば、本発明の水電解装置により燃料電池の燃料となる水素を製造することができる。また、各触媒を含むことにより、水の電気分解反応が進行する速度を速くすることができる。
本発明の水電解装置において、前記水素発生部および前記酸素発生部のうち少なくとも一方は、触媒が担持された多孔質の導電体から形成されることが好ましい。
このような構成によれば、水素発生部および酸素発生部のうち少なくとも一方の触媒表面積を大きくすることができ、より効率的に酸素または水素を発生させることができる。また、多孔質の導電体を用いることにより、光電変換部と触媒との間の電流が流れることによる電位の変化を抑制することができ、より効率的に水素または酸素を発生させることができる。
【００２０】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【００２１】
水電解装置の構成
図１は、本発明の一実施形態の水電解装置の構造を示す概略平面図である。図２は、図１、３の点線Ａ−Ａにおける水電解装置の概略断面図である。図３は、本発明の一実施形態の水電解装置の構造を示す概略裏面図である。なお、図３において背面基板１４は省略している。
【００２２】
本実施形態の水電解装置２３は、受光面とその裏面を有し、かつ、受光することにより前記受光面と前記裏面との間に電位差が生じる光電変換部２と、光電変換部２の裏面側に設けられ、かつ、光電変換部２の裏面と電気的に接続した第１電解用電極８と、光電変換部２の裏面側に設けられ、かつ、光電変換部２の受光面と電気的に接続した第２電解用電極７と、水が流通するように設けられた流路１２とを備え、第１電解用電極８および第２電解用電極７は、流路１２内の水に浸漬可能に設けられ、かつ、光電変換部２が受光することより生じる起電力により水を電気分解し第１気体および第２気体をそれぞれ発生させるように設けられ、第１気体および第２気体のうち一方は水素であり、他方は酸素である。
【００２３】
以下、本実施形態の水電解装置２３について説明する。
１．透光性基板
透光性基板１は、透光性を有する基板であれば特に限定されない。透光性基板１の材料としては、例えば、ソーダガラス、石英ガラス、パイレックス（登録商標）、合成石英板等の透明なリジッド材、あるいは透明樹脂板やフィルム材等が好適に用いられる。化学的および物理的安定性を備える点より、ガラス基板を用いることが好ましい。
透光性基板１の光電変換部２側の表面には、入射した光が光電変換部２の表面で有効に乱反射されるように、微細な凹凸構造に形成することができる。この微細な凹凸構造は、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）処理もしくはブラスト処理等の公知の方法により形成することが可能である。
【００２４】
２．第１電極
第１電極４は、透光性基板１の上に設けることができ、光電変換部２の受光面と接触するように設けることができる。また、第１電極４は透光性を有してもよい。第１電極４を設けることにより、光電変換部２の受光面と第２電解用電極７との間に流れる電流を大きくすることができる。
第１電極４は、例えば、ＩＴＯ、ＳｎＯ2などの透明導電膜からなってもよく、Ａｇ、Ａｕなどの金属のフィンガー電極からなってもよい。
【００２５】
以下に第１電極４を透明導電膜とした場合について説明する。
透明導電膜は、光電変換部２の受光面と第２電解用電極７とのコンタクトを取りやすくするために用いている。
一般に透明電極として使用されているものを用いることが可能である。具体的にはＩｎ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＺＯ）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＴＯ）、ＺｎＯ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、ＳｎＯ2等を挙げることができる。なお本透明導電膜は、太陽光の光線透過率が８５％以上、中でも９０％以上、特に９２％以上であることが好ましい。このことにより光電変換部２が光を効率的に吸収することができるためである。
透明導電膜の作成方法としては公知の方法を用いることができ、スパッタリング、真空蒸着、ゾルゲル法、クラスタービーム蒸着法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などが挙げられる。
【００２６】
３．光電変換部
光電変換部２は、透光性基板１上に設けられ、かつ、受光することにより受光面と裏面との間に電位差が生じる。光電変換部２は、例えば、シリコン系半導体を用いた光電変換部、化合物半導体を用いた光電変換部、色素増感剤を利用した光電変換部、有機薄膜を用いた光電変換部などである。
【００２７】
光電変換部２は、受光することにより、第１電解用電極８および第２電解用電極７において水を分解し水素と酸素が発生させるために必要な起電力が生じる必要がある。第１電解用電極８と第２電解用電極７の電位差は、水分解のための理論電圧（１．２３Ｖ）より大きくする必要があり、そのためには光電変換部２で十分大きな電位差を生み出す必要がある。そのため光電変換部２は、ｐｎ接合など起電力を生じさせる部分を二接合以上直列に接続することが好ましい。
【００２８】
光電変換を行う材料は、シリコン系半導体、化合物半導体、有機材料をベースとしたものなどが挙げられるが、いずれの光電変換材料も使用することが可能である。また、起電力を大きくするために、これらの光電変換材料を積層することが可能である。積層する場合には同一材料で多接合構造を形成することが可能であるが、光学的バンドギャップの異なる複数の光電変換層を積層し、各々の光電変換層の低感度波長領域を相互に補完することにより、広い波長領域にわたり入射光を効率よく吸収することが可能となる。
【００２９】
また、光電変換層間の直列接続特性の改善や、光電変換部２で発生する光電流の整合のために、層間に透明導電膜等の導電体を介在させることが可能である。これにより光電変換部２の劣化を抑制することが可能となる。
光電変換部２の例を以下に具体的に説明する。また、光電変換部２は、これらを組み合わせたものでもよい。
【００３０】
３−１．シリコン系半導体を用いた光電変換部
シリコン系半導体を用いた光電変換部２は、例えば、単結晶型、多結晶型、アモルファス型、球状シリコン型、及びこれらを組み合わせたもの等が挙げられる。いずれもｐ型半導体とｎ型半導体が接合したｐｎ接合を有することができる。また、ｐ型半導体とｎ型半導体との間にｉ型半導体を設けたｐｉｎ接合を有するものとすることもできる。また、ｐｎ接合を複数有するもの、ｐｉｎ接合を複数有するもの、ｐｎ接合とｐｉｎ接合を有するものとすることもできる。
シリコン系半導体とは、シリコンを含む半導体であり、例えば、シリコン、シリコンカーバイド、シリコンゲルマニウムなどである。また、シリコンなどにｎ型不純物またはｐ型不純物が添加されたものも含み、また、結晶質、非晶質、微結晶のものも含む。
また、シリコン系半導体を用いた光電変換部２は、透光性基板１の上に形成された薄膜または厚膜の光電変換層であってもよく、また、シリコンウェハなどのウェハにｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成したものでもよく、また、ｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成したウェハの上に薄膜の光電変換層を形成したものでもよい。
【００３１】
シリコン系半導体を用いた光電変換部２の形成例を以下に示す。
透光性基板１上に積層した第１電極４上に、第１導電型半導体層をプラズマＣＶＤ法等の方法で形成する。この第１導電型半導体層としては、導電型決定不純物原子濃度が１×１０18〜５×１０21／ｃｍ3程度ドープされた、ｐ＋型またはｎ＋型の非晶質Ｓｉ薄膜、または多結晶あるいは微結晶Ｓｉ薄膜とする。第１導電型半導体層の材料としては、Ｓｉに限らず、ＳｉＣあるいはＳｉＧｅ，ＳｉxＯ1-x等の化合物を用いることも可能である。
【００３２】
このように形成された第１導電型半導体層上に、結晶質Ｓｉ系光活性層として多結晶あるいは微結晶の結晶質Ｓｉ薄膜をプラズマＣＶＤ法等の方法で形成する。なお、導電型は第１導電型半導体よりドーピング濃度が低い第１導電型とするか、あるいはｉ型とする。結晶質Ｓｉ系光活性層の材料としては、Ｓｉに限らず、ＳｉＣあるいはＳｉＧｅ，ＳｉxＯ1-x等の化合物を用いることも可能である。
【００３３】
次に、結晶質Ｓｉ系光活性層上に半導体接合を形成するため、第１導電型半導体層とは反対導電型である第２導電型半導体層をプラズマＣＶＤ等の方法で形成する。この第２導電型半導体層としては、導電型決定不純物原子が１×１０18〜５×１０21／ｃｍ3程度ドープされた、ｎ＋型またはｐ＋型の非晶質Ｓｉ薄膜、または多結晶あるいは微結晶Ｓｉ薄膜とする。第２導電型半導体層の材料としては、Ｓｉに限らず、ＳｉＣあるいはＳｉＧｅ，ＳｉxＯ1-x等の化合物を用いることも可能である。また接合特性をより改善するために、結晶質Ｓｉ系光活性層と第２導電型半導体層との間に、実質的にｉ型の非単結晶Ｓｉ系薄膜を挿入することも可能である。このようにして、受光面に最も近い光電変換層を一層積層することができる。
【００３４】
続けて第二層目の光電変換層を形成する。第二層目の光電変換層は、第１導電型半導体層、結晶質Ｓｉ系光活性層、第２導電型半導体層からなり、それぞれの層は、第一層目の光電変換層中の対応する第１導電型半導体層、結晶質Ｓｉ系光活性層、第２導電型半導体層と同様に形成する。二層のタンデムで水分解に十分な電位を得ることができない場合は、三層あるいはそれ以上の層状構造を取ることが好ましい。ただし第二層目の光電変換層の結晶質Ｓｉ系光活性層の体積結晶化分率は、第一層目の結晶質Ｓｉ系光活性層と比較すると高くすることが好ましい。三層以上積層する場合も同様に下層と比較すると体積結晶化分率を高くすることが好ましい。これは、長波長域での吸収が大きくなり、分光感度が長波長側にシフトし、同じＳｉ材料を用いて光活性層を構成した場合においても、広い波長域で感度を向上させることが可能となるためである。すなわち、結晶化率の異なるＳｉでタンデム構造にすることにより、分光感度が広くなり、光の高効率利用が可能となる。このとき低結晶化率材料を受光面側にしないと高効率とならない。また結晶化率が４０％以下に下がるとアモルファス成分が増え、劣化が生じてしまう。
【００３５】
３−２．化合物半導体を用いた光電変換部
化合物半導体を用いた光電変換部２は、例えば、III−Ｖ族元素で構成されるＧａＰ、ＧａＡｓやＩｎＰ、ＩｎＡｓ、II−VI族元素で構成されるＣｄＴｅ／ＣｄＳ、Ｉ−III−VI族で構成されるＣＩＧＳ（Copper Indium Gallium DiSelenide）などを用いｐｎ接合を形成したものが挙げられる。
【００３６】
化合物半導体を用いた光電変換部２の製造方法の一例を以下に示すが、本製造方法では、製膜処理等はすべて有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置を使って連続して行われる。III族元素の材料としては、例えばトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムなどの有機金属が水素をキャリアガスとして成長装置に供給される。Ｖ族元素の材料としては、例えばアルシン（ＡｓＨ3）、ホスフィン（ＰＨ3）、スチビン（ＳｂＨ3）等のガスが使われる。ｐ型不純物またはｎ型不純物のドーパントとしては、例えばｐ型化にはジエチルジンク、またはｎ型化には、モノシラン（ＳｉＨ4）やジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）、セレン化水素（Ｈ2Ｓｅ）等が利用される。これらの原料ガスを、例えば７００℃に加熱された基板上に供給することにより熱分解させ、所望の化合物半導体材料膜をエピタキシャル成長させることが可能である。これら成長層の組成は導入するガス組成により、また膜厚はガスの導入時間によって制御することが可能である。これらの光電変換部を多接合積層する場合は、層間での格子定数を可能な限り合わせることにより、結晶性に優れた成長層を形成することができ、光電変換効率を向上することが可能となる。
【００３７】
ｐｎ接合を形成した部分以外にも、例えば受光面側に公知の窓層や、非受光面側に公知の電界層等を設けることによりキャリア収集効率を高める工夫を有してもよい。また不純物の拡散を防止するためのバッファ層を有していてもよい。
【００３８】
３−３．色素増感剤を利用した光電変換部
色素増感剤を利用した光電変換部は、例えば、主に多孔質半導体、色素増感剤、電解質、溶媒などにより構成される。
多孔質半導体を構成する材料としては、例えば、酸化チタン、酸化タングステン、酸化亜鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、硫化カドミウム等公知の半導体から１種類以上を選択することが可能である。多孔質半導体を基板上に形成する方法としては、半導体粒子を含有するペーストをスクリーン印刷法、インクジェット法等で塗布し乾燥もしくは焼成する方法や、原料ガスを用いたＣＶＤ法等により製膜する方法、ＰＶＤ法、蒸着法、スパッタ法、ゾルゲル法、電気化学的な酸化還元反応を利用した方法等が挙げられる。
【００３９】
多孔質半導体に吸着する色素増感剤としては、可視光領域および赤外光領域に吸収を持つ種々の色素を用いることが可能である。ここで、多孔質半導体に色素を強固に吸着させるには、色素分子中にカルボン酸基、カルボン酸無水基、アルコキシ基、スルホン酸基、ヒドロキシル基、ヒドロキシルアルキル基、エステル基、メルカプト基、ホスホニル基等が存在することが好ましい。これらの官能基は、励起状態の色素と多孔質半導体の伝導帯との間の電子移動を容易にする電気的結合を提供する。
【００４０】
これらの官能基を含有する色素として、例えば、ルテニウムビピリジン系色素、キノン系色素、キノンイミン系色素、アゾ系色素、キナクリドン系色素、スクアリリウム系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、トリフェニルメタン系色素、キサンテン系色素、ポルフィリン系色素、フタロシアニン系色素、ベリレン系色素、インジゴ系色素、ナフタロシアニン系色素等が挙げられる。
【００４１】
多孔質半導体への色素の吸着方法としては、例えば多孔質半導体を、色素を溶解した溶液（色素吸着用溶液）に浸漬する方法が挙げられる。色素吸着用溶液に用いられる溶媒としては、色素を溶解するものであれば特に制限されず、具体的には、エタノール、メタノール等のアルコール類、アセトン等のケトン類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル類、アセトニトリル等の窒素化合物類、ヘキサン等の脂肪族炭化水素、ベンゼン等の芳香族炭化水素、酢酸エチル等のエステル類、水等を挙げることができる。
【００４２】
電解質は、酸化還元対とこれを保持する液体または高分子ゲル等固体の媒体からなる。
酸化還元対としては一般に、鉄系、コバルト系等の金属類や塩素、臭素、ヨウ素等のハロゲン物質が好適に用いられ、ヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム等の金属ヨウ化物とヨウ素の組み合わせが好ましく用いられる。さらに、ジメチルプロピルイミダゾールアイオダイド等のイミダゾール塩等を混入することもできる。
【００４３】
また、溶媒としては、プロピレンカーボネート等のカーボネート化合物、アセトニトリル等のニトリル化合物、エタノール、メタノール等のアルコール、その他、水や非プロトン極性物質等が用いられるが、中でも、カーボネート化合物やニトリル化合物が好適に用いられる。
【００４４】
３−４．有機薄膜を用いた光電変換部
有機薄膜を用いた光電変換部は、電子供与性および電子受容性を持つ有機半導体材料で構成される電子正孔輸送層、または電子受容性を有する電子輸送層と電子供与性を有する正孔輸送層とが積層されたものであってもよい。
電子供与性の有機半導体材料としては、電子供与体としての機能を有するものであれば特に限定されないが、塗布法により製膜できることが好ましく、中でも電子供与性の導電性高分子が好適に使用される。
【００４５】
ここで導電性高分子とは共役高分子を示し、炭素−炭素またはヘテロ原子を含む二重結合または三重結合が、単結合と交互に連なった共役系からなり、半導体的性質を示すものをさす。
【００４６】
電子供与性の導電性高分子材料としては、例えばポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリチオフェン、ポリカルバゾール、ポリビニルカルバゾール、ポリシラン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリフルオレン、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、およびこれらの誘導体、共重合体、あるいはフタロシアニン含有ポリマー、カルバゾール含有ポリマー、有機金属ポリマー等が挙げられる。中でも、チオフェン−フルオレン共重合体、ポリアルキルチオフェン、フェニレンエチニレン−フェニレンビニレン共重合体、フルオレン−フェニレンビニレン共重合体、チオフェン−フェニレンビニレン共重合体等が好適に利用される。
【００４７】
電子受容性の有機半導体材料としては、電子受容体としての機能を有するものであれば特に限定されないが、塗布法により製膜できることが好ましく、中でも電子供与性の導電性高分子が好適に使用される。
電子受容性の導電性高分子としては、例えばポリフェニレンビニレン、ポリフルオレン、およびこれらの誘導体、共重合体、あるいはカーボンナノチューブ、フラーレンおよびこれらの誘導体、ＣＮ基またはＣＦ3基含有ポリマーおよびそれらの−ＣＦ3置換ポリマー等が挙げられる。
【００４８】
また、電子供与性化合物がドープされた電子受容性の有機半導体材料や、電子受容性化合物がドープされた電子供与性の有機半導体材料等を用いることが可能である。電子供与性化合物がドープされる電子受容性の導電性高分子材料としては、上述の電子受容性の導電性高分子材料を挙げることができる。ドープされる電子供与性化合物としては、例えばＬｉ、Ｋ、Ｃａ、Ｃｓ等のアルカリ金属やアルカリ土類金属のようなルイス塩基を用いることができる。なお、ルイス塩基は電子供与体として作用する。また、電子受容性化合物がドープされる電子供与性の導電性高分子材料としては、上述した電子供与性の導電性高分子材料を挙げることができる。ドープされる電子受容性化合物としては、例えばＦｅＣｌ3、ＡｌＣｌ3、ＡｌＢｒ3、ＡｓＦ6やハロゲン化合物のようなルイス酸を用いることができる。なお、ルイス酸は電子受容体として作用する。
【００４９】
上記にて示した光電変換部２においては、第一義的には太陽光を受光させ光電変換を行うことを想定しているが、用途により蛍光灯や白熱灯、ＬＥＤ、特定の熱源から発せられる光等の人工光を照射し光電変換を行うことも可能である。
【００５０】
４．第２電極
第２電極５は、光電変換部２の裏面上に設けることができる。第２電極５を設けることにより、光電変換部２の裏面の電位と第１電解用電極８の電位をほぼ同じにすることができる。また、光電変換部２の裏面と第１電解用電極８との間に流れる電流を大きくすることができる。このことにより、光電変換部２で生じた起電力により水を電気分解し水素または酸素をより効率的に発生させることができる。
第２電極５は、導電性を有すれば特に限定されないが、例えば、金属薄膜であり、また、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなどの薄膜である。これらは、例えば、スパッタリングなどにより形成することができる。また、例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＺＯ）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＴＯ）、ＺｎＯ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、ＳｎＯ2等の透明導電膜である。
【００５１】
５．絶縁部
絶縁部１１は、光電変換部２の裏面と第２電解用電極７との間に設けることができる。また、絶縁部１１は、第１電解用電極８と第２電解用電極７との間に設けることもできる。さらに、絶縁部１１は、第１導電部１０と光電変換部２との間、および第１導電部１０と第２電極５との間に設けることができる。
絶縁部１１を設けることにより、光電変換部２で生じた起電力により、光電変換部２の受光面と第２電解用電極７との間に電流を流し、光電変換部２の裏面と第１電解用電極８との間に電流を流すことができる。また、リーク電流をより小さくすることができる。このことにより、光電変換部２の受光面の電位と第２電解用電極７の電位をほぼ同じにすることができ、また、光電変換部２の裏面の電位と第１電解用電極８の電位をほぼ同じにすることができ、より効率的に水を電気分解し水素および酸素を発生させることができる。
【００５２】
絶縁部１１としては、有機材料、無機材料を問わず用いることが可能であり、例えば、ポリアミド、ポリイミド、ポリアリーレン、芳香族ビニル化合物、フッ素系重合体、アクリル系重合体、ビニルアミド系重合体等の有機ポリマー、無機系材料としては、Ａｌ2Ｏ3等の金属酸化物、多孔質性シリカ膜等のＳｉＯ2や、フッ素添加シリコン酸化膜（ＦＳＧ）、ＳｉＯＣ、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）膜、ＳｉＮx、シラノール（Ｓｉ（ＯＨ）4）をアルコール等の溶媒に溶かし塗布・加熱することにより製膜する方法を用いることが可能である。
【００５３】
絶縁部１１を形成する方法としては、絶縁性材料を含有するペーストをスクリーン印刷法、インクジェット法、スピンコーティング法等で塗布し乾燥もしくは焼成する方法や、原料ガスを用いたＣＶＤ法等により製膜する方法、ＰＶＤ法、蒸着法、スパッタ法、ゾルゲル法を利用した方法等が挙げられる。
【００５４】
６．第１導電部
第１導電部１０は、第１電極４と第２電解用電極７とにそれぞれ接触するように設けることができる。第１導電部１０を設けることにより、容易に光電変換部２の受光面に接触した第１電極４と第２電解用電極７とを電気的に接続することができる。
第１導電部１０は光電変換部２の受光面と接触した第１電極４と光電変換部２の裏面上に設けられた第２電解用電極７とに接触するため、光電変換部２の受光面と平行な第１導電部１０の断面積を大きくしすぎると、光電変換部２の受光面の面積を小さくすることにつながる。また、光電変換部２の受光面に平行な第１導電部１０の断面積を小さくしすぎると光電変換部２の受光面の電位と第２電解用電極７の電位との間に差が生じ、電解液を分解する電位差が得られなくなる場合もあり、水素または酸素の発生効率の減少につながる場合もある。従って、光電変換部２の受光面と平行な第１導電部の断面積は、一定の範囲である必要がある。例えば、光電変換部２の受光面と平行な第１導電部１０の断面積（第１導電部１０が複数の場合、その断面積の総計）は、光電変換部２の受光面の面積を１００％としたとき、０．１％以上１０％以下とすることができ、好ましくは、０．５％以上８％以下、さらに好ましくは、１％以上６％以下とすることができる。
【００５５】
また、第１導電部１０は、光電変換部２を貫通するコンタクトホールに設けられてもよい。このことにより、第１導電部１０を設けることによる光電変換部２の受光面の面積の減少をより小さくすることができる。また、このことにより、光電変換部２の受光面と第２電解用電極７との間の電流経路を短くすることができ、より効率的に水素または酸素を発生させることができる。また、このことにより、光電変換部２の受光面と平行な第１導電部１０の断面積を容易に調節することができる。
また、第１導電部１０が設けられたコンタクトホールは、１つまたは複数でもよく、円形の断面を有してもよい。また、光電変換部２の受光面と平行なコンタクトホールの断面積（コンタクトホールが複数の場合、その断面積の総計）は、光電変換部２の受光面の面積を１００％としたとき、０．１％以上１０％以下とすることができ、好ましくは、０．５％以上８％以下、さらに好ましくは、１％以上６％以下とすることができる。
【００５６】
第１導電部１０の材料は、導電性を有しているものであれば特に制限されない。導電性粒子を含有するペースト、例えばカーボンペースト、Ａｇペースト等をスクリーン印刷法、インクジェット法等で塗布し乾燥もしくは焼成する方法や、原料ガスを用いたＣＶＤ法等により製膜する方法、ＰＶＤ法、蒸着法、スパッタ法、ゾルゲル法、電気化学的な酸化還元反応を利用した方法等が挙げられる。
【００５７】
７．第１電解用電極
第１電解用電極８は、光電変換部２の裏面側に設けられる。このことにより、第１電解用電極８は光電変換部２に入射する光を遮ることはない。また、第１電解用電極８は複数であってもよい。
また、第１電解用電極８は、光電変換部２の裏面と電気的に接続する。このことにより、光電変換部２の裏面の電位と第１電解用電極８の電位をほぼ同じとすることができる。また、第１電解用電極８は、第１流路１５内の水に浸漬可能に設けられる。このことにより、第１電解用電極８の表面で水の電気分解反応を進行させることができる。これらのことから、第１電解用電極８は、光電変換部２の起電力により水を電気分解し水素または酸素を発生させることができる。また、光電変換部２の起電力により第１電解用電極８の表面にＯＨラジカルなどの反応活性種を発生させることができる。この反応活性種と水中の微生物とが接触することにより、水を殺菌処理することができる。
【００５８】
また、第１電解用電極８は、第２電解用電極７と接触しないように設けることができる。このことにより、第１電解用電極８と第２電解用電極７との間にリーク電流が流れるのを防止することとができる。
また、第１電解用電極８は、水からＨ2を発生させる水素発生部または水からＯ2を発生させる酸素発生部であってもよい。このことにより、水を電気分解し、燃料電池の燃料となる水素を製造することができる。
【００５９】
８．第２電解用電極
第２電解用電極７は、光電変換部２の裏面側に設けられる。このことにより、第２電解用電極７は光電変換部２に入射する光を遮ることはない。また、第２電解用電極７は、複数であってもよい。
また、第２電解用電極７は、光電変換部２の受光面と電気的に接続する。このことにより、光電変換部２の受光面の電位と第２電解用電極７の電位をほぼ同じとすることができる。また、第２電解用電極７は、第２流路１６内の水に浸漬可能に設けられる。このことにより、第２電解用電極７の表面で水の電気分解反応を進行させることができる。これらのことから、第２電解用電極７は、光電変換部２の起電力により水を電気分解し水素または酸素を発生させることができる。また、光電変換部２の起電力により第２電解用電極７の表面にＯＨラジカルなどの反応活性種を発生させることができる。この反応活性種と水中の微生物とが接触することにより、水を殺菌処理することができる。
【００６０】
また、第２電解用電極７は、第１電解用電極８と接触しないように設けることができる。このことにより、第１電解用電極８と第２電解用電極７との間にリーク電流が流れるのを防止することとができる。
また、第２電解用電極７は、水からＨ2を発生させる水素発生部または水からＯ2を発生させる酸素発生部であってもよい。このことにより、水を分解し、燃料電池の燃料となる水素を製造することができる。
第１電解用電極８と第２電解用電極７は、それぞれ複数であり、かつ、隔壁１３を挟んで交互に並列に配置されてもよい。このことにより、第１流路１５および第２流路１６を並列に設けることができる。例えば、第１電解用電極８および第２電解用電極７は、図２、３のようにそれぞれ４つずつであり、隔壁１３を挟んで交互に配置することができる。
【００６１】
９．水素発生部
水素発生部は、水からＨ2を発生する反応が進行する部分であり、第１電解用電極８および第２電解用電極７のうちどちらか一方とすることができる。また、水素発生部は、水からＨ2が発生する反応の触媒を含んでもよい。このことにより、水からＨ2が発生する反応の反応速度を大きくすることができる。水素発生部は、水からＨ2が発生する反応の触媒のみからなってもよく、この触媒が担持体に担持されたものであってもよい。また、水素発生部は、光電変換部２の受光面の面積より大きい触媒表面積を有してもよい。このことにより、水からＨ2が発生する反応をより速い反応速度とすることができる。また、水素発生部は、触媒が担持された多孔質の導電体であってもよい。このことにより、触媒表面積を大きくすることができる。また、光電変換部２の受光面または裏面と水素発生部に含まれる触媒との間に電流が流れることによる電位の変化を抑制することができる。また、この水素発生部を第１電解用電極８としたとき、第２電極５を省略しても光電変換部２の裏面と触媒との間に電流が流れることによる電位の変化を抑制することができる。さらに、水素発生部は、水素発生触媒としてＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｆｅ、ＮｉおよびＳｅのうち少なくとも１つを含んでもよい。
【００６２】
水からＨ2が発生する反応の触媒（水素発生触媒）は、２つのプロトンと２つの電子から１分子の水素への変換を促進する触媒であり、化学的に安定であり、水素生成過電圧が小さい材料を用いることができる。例えば、水素に対して触媒活性を有するＰｔ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ａｕ等の白金族金属およびその合金あるいは化合物、水素生成酵素であるヒドロゲナーゼの活性中心を構成するＦｅ，Ｎｉ，Ｓｅの合金あるいは化合物、およびこれらの組み合わせ等を好適に用いることが可能である。中でもＰｔおよびＰｔを含有するナノ構造体は水素発生過電圧が小さく好適に用いることが可能である。光照射により水素発生反応が確認されるＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＺｎＳ，ＺｒＯ2などの材料を用いることもできる。
【００６３】
水素発生触媒を直接光電変換部２の裏面などに担持することは可能であるが、反応面積をより大きくし気体生成速度を向上させるために、触媒を導電体に担持することができる。触媒を担持する導電体としては、金属材料、炭素質材料、導電性を有する無機材料等が挙げられる。
【００６４】
金属材料としては、電子伝導性を有し、酸性雰囲気下で耐腐食性を有する材料が好ましい。具体的には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｕ、Ｓｉ等の金属並びにこれらの金属の窒化物および炭化物、ステンレス鋼、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔ等の合金が挙げられる。金属材料には、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含むことが、他の化学的な副反応が少ないという観点から、より好ましい。これら金属材料は、比較的電気抵抗が小さく、面方向に電流を取り出しても電圧の低下を抑制することができる。また、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の酸性雰囲気下での耐腐食性に乏しい金属材料を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の耐腐食性を有する貴金属および金属、カーボン、グラファイト、グラッシーカーボン、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等によって耐腐食性に乏しい金属の表面をコーティングしてもよい。
【００６５】
炭素質材料としては、化学的に安定で導電性を有する材料が好ましい。例えば、アセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、ＶＧＣＦ、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン等の炭素粉末や炭素繊維が挙げられる。
【００６６】
導電性を有する無機材料としては、例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ（ＩＺＯ）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ（ＩＴＯ）、ＺｎＯ−Ａｌ、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、ＳｎＯ2、酸化アンチモンドープ酸化スズが挙げられる。
【００６７】
なお、導電性高分子としては、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレン等が挙げられ、導電性窒化物としては、窒化炭素、窒化ケイ素、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化ゲルマニウム、窒化チタニウム、窒化ジルコニウム、窒化タリウム等が挙げられ、導電性炭化物としては、炭化タンタル、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタニウム、炭化モリブデン、炭化ニオブ、炭化鉄、炭化ニッケル、炭化ハフニウム、炭化タングステン、炭化バナジウム、炭化クロム等が挙げられ、導電性酸化物としては、酸化スズ、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化アンチモンドープ酸化スズ等が挙げられる。
【００６８】
水素発生触媒を担持する導電体の構造としては、板状、箔状、棒状、メッシュ状、ラス板状、多孔質板状、多孔質棒状、織布状、不織布状、繊維状、フェルト状が好適に使用できる。また、フェルト状電極の表面を溝状に圧着した溝付き導電体は、電気抵抗と電極液の流動抵抗を低減できるので好適である。
【００６９】
１０．酸素発生部
酸素発生部は、水からＯ2が発生する反応が進行する部分であり、第１電解用電極８および第２電解用電極７のうちどちらか一方である。また、酸素発生部において、水からＯ2が発生する反応において反応活性種であるＯＨラジカルを発生させることができる。ＯＨラジカルは、非常に強い酸化能力を有するため、水中の微生物の殺菌や有機物の酸化除去を行うことができる。
また、酸素発生部は、水からＯ2が発生する反応の触媒を含んでもよい。このことにより、電解液からＯ2が発生する反応の反応速度を大きくすることができる。また、酸素発生部は、電解液からＯ2が発生する反応の触媒のみからなってもよく、この触媒が担持体に担持されたものであってもよい。また、酸素発生部は、水からＯ2が発生する反応の触媒を含まなくてもよい。このことにより、酸素発生部の表面でＯＨラジカルなどを長時間存在させることができ、より効率的に水の殺菌処理や水中の有機物の除去を行うことができる。例えば、酸素発生部を、水からＯ2が発生する反応速度が比較的遅い金属板などとすることができる。
【００７０】
また、酸素発生部は、光電変換部２の受光面の面積より大きい触媒表面積を有してもよい。このことにより、水からＯ2が発生する反応をより速い反応速度とすることができる。また、酸素発生部は、触媒が担持された多孔質の導電体であってもよい。このことにより、触媒表面積を大きくすることができる。また、光電変換部２の受光面または裏面と酸素発生部に含まれる触媒との間に電流が流れることによる電位の変化を抑制することができる。また、この酸素発生部を第１電解用電極８としたとき、第２電極５を省略しても光電変換部２の裏面と触媒との間に電流が流れることによる電位の変化を抑制することができる。さらに、酸素発生部は、酸素発生触媒としてＭｎ、Ｃａ、Ｚｎ、ＣｏおよびＩｒのうち少なくとも１つを含んでもよい。
【００７１】
Ｈ2ＯからＯ2が発生する反応の触媒（酸素発生触媒）は、２つの水分子から１分子の酸素および４つのプロトンと４つの電子への変換を促進する触媒であり、化学的に安定であり、酸素発生過電圧が小さい材料を用いることができる。例えば、光を用い水から酸素発生を行う反応を触媒する酵素であるPhotosystem IIの活性中心を担うＭｎ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｃｏを含む酸化物あるいは化合物や、Ｐｔ，ＲｕＯ2，ＩｒＯ2等の白金族金属を含む化合物や、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｃｅ，Ｆｅ，Ｎｉ等の遷移金属を含む酸化物あるいは化合物、および上記材料の組み合わせ等を用いることが可能である。中でも酸化イリジウム、酸化マンガン、酸化コバルト、リン酸コバルトは、過電圧が小さく酸素発生効率が高いことから好適に用いることができる。
【００７２】
酸素発生触媒を直接光電変換部２の裏面に担持することは可能であるが、反応面積をより大きくし気体生成速度を向上させるために、触媒を導電体に担持することができる。触媒を担持する導電体としては、金属材料、炭素質材料、導電性を有する無機材料等が挙げられる。これらの説明は、「９．水素発生部」に記載した水素発生触媒についての説明が矛盾がない限り当てはまる。
【００７３】
水素発生触媒および酸素発生触媒の単独の触媒活性が小さい場合、助触媒を用いることも可能である。例えば、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｒｈ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｓｅの酸化物あるいは化合物などが挙げられる。
【００７４】
なお、水素発生触媒、酸素発生触媒の担持方法は、導電体もしくは半導体に直接塗布する方法や、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法等の乾式塗工法、電析法など、材料により適宜その手法を変え作製ことが可能である。光電変換部と触媒の間に適宜導電物質を担持することが可能である。また水素発生および酸素発生のための触媒活性が十分でない場合、金属やカーボン等の多孔質体や繊維状物質、ナノ粒子等に担持することにより反応表面積を大きくし、水素及び酸素発生速度を向上させることが可能である。
【００７５】
１１．背面基板
背面基板１４は、第１電解用電極８および第２電解用電極７の上に透光性基板１と対向するように設けることができる。また、背面基板１４は、第１電解用電極８および第２電解用電極７と背面基板１４との間に空間が設けられるように設けることができる。この空間を第１流路１５または第２流路１６とすることができる。
また、背面基板１４は、光電変換部２、第１電解用電極８および第２電解用電極７を収容でき、第１流路１５および第２流路１６を形成することができる外箱の一部であってもよい。
【００７６】
また、背面基板１４は、水を流通させ、生成した水素または酸素を閉じ込めるための第１流路または第２流路を構成するため、機密性が高い物質が求められる。背面基板１４は、透明なものであっても不透明なものであっても特に限定されるものではない。背面基板としては、例えば石英ガラス、パイレックス（登録商標）、合成石英板等の透明なリジッド材、あるいは透明樹脂板、透明樹脂フィルムなどを挙げることができる。中でも、ガスの透過性がなく、化学的物理的に安定な物質である点でガラス材を用いることが好ましい。
【００７７】
背面基板１４に外箱を用いる場合、外箱は、例えばステンレス鋼等の鋼材または、ジルコニア、アルミナ等のセラミック、フェノール樹脂、メラミン樹脂（ＭＦ）、ガラス繊維強化ポリアミド樹脂等の合成樹脂からなることが好ましい。
【００７８】
１２．隔壁
隔壁１３は、第１電解用電極８と第２電解用電極７との間に配置することができる。また、隔壁１３は、第１流路１５と第２流路１６とを仕切るように設けることができる。このことにより、水を第１流路１５および第２流路１６にそれぞれ流通させることができ、水を対向流通させることができる。また、隔壁１３を設けることにより、第１電解用電極８および第２電解用電極７で発生させた水素および酸素が混合することを防止することができ、水素および酸素を分離して回収することができる。例えば、隔壁１３は、図１〜図３のように、第１電解用電極８と背面基板１４との間の空間と第２電解用電極７と背面基板との間の空間とを仕切るように設けることができる。
また、隔壁１３は、イオン交換体を含んでもよい。このことにより、第１流路１５内の水と第２流路１６内の水でアンバランスとなったプロトン濃度を一定に保つことができる。つまり、第１電解用電極８および第２電解用電極７における電気分解反応により生じたプロトン濃度の不均衡が、プロトンが隔壁１３を介してプロトンの移動が起こることにより解消することができる。
隔壁１３は、例えば、多孔質ガラス、多孔質ジルコニア、多孔質アルミナ等の無機膜あるいはイオン交換体を用いることが可能である。イオン交換体としては、当該分野で公知のイオン交換体をいずれも使用でき、プロトン伝導性膜、カチオン交換膜、アニオン交換膜等を使用できる。
【００７９】
プロトン伝導性膜の材質としては、プロトン伝導性を有しかつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されず、高分子膜、無機膜又はコンポジット膜を用いることができる。
高分子膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系電解質膜である、デュポン社製のナフィオン（登録商標）、旭化成社製のアシプレックス（登録商標）、旭硝子社製のフレミオン（登録商標）等の膜や、ポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン等の炭化水素系電解質膜等が挙げられる。
【００８０】
無機膜としては、例えば、リン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウム等からなる膜が挙げられる。コンポジット膜としては、スルホン化ポリイミド系ポリマー、タングステン酸等の無機物とポリイミド等の有機物とのコンポジット等からなる膜が挙げられ、具体的にはゴア社製のゴアセレクト膜（登録商標）や細孔フィリング電解質膜等が挙げられる。さらに、高温環境下（例えば、１００℃以上）で使用する場合には、スルホン化ポリイミド、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸（ＡＭＰＳ）、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、硫酸水素セシウム、ポリリン酸アンモニウム等が挙げられる。
【００８１】
カチオン交換膜としては、カチオンを移動させることができる固体高分子電解質であればよい。具体的には、パーフルオロカーボンスルフォン酸膜や、パーフルオロカーボンカルボン酸膜等のフッ素系イオン交換膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、ポリスチレンスルホン酸膜、スルホン酸化スチレン・ビニルベンゼン共重合体膜等が挙げられる。
【００８２】
支持電解質溶液のアニオン輸率が高い場合には、アニオン交換膜の使用が好ましい。アニオン交換膜としては、アニオンの移動可能な固体高分子電解質を使用できる。具体的には、ポリオルトフェニレンジアミン膜、アンモニウム塩誘導体基を有するフッ素系イオン交換膜、アンモニウム塩誘導体基を有するビニルベンゼンポリマー膜、クロロメチルスチレン・ビニルベンゼン共重合体をアミノ化した膜等が挙げられる。
水素発生、酸素発生がそれぞれ水素発生触媒、酸素発生触媒にて選択的に行われ、これに伴うイオンの移動が起こる場合、必ずしもイオン交換のための特殊な膜等の部材を配置する必要はない。ガスを物理的に隔離することのみの目的であれば、後述のシール剤に記載の紫外線硬化性樹脂あるいは熱硬化性樹脂を用いることが可能である。
【００８３】
１３．流路、第１流路、第２流路、連通流路、給水口、排水口、第１気体排出口および第２気体排出口
流路１２は、水が流れる流路であり、第１流路１５と、第２流路１６と、連通流路１７を含む。
第１流路１５および第２流路１６は、水が流れる流路であり、かつ、第１電解用電極８および第２電解用電極７で発生した水素および酸素を装置外へ排出するための流路である。
第１流路１５を流れる水は第１電解用電極８を浸漬させることができ、第２流路１６を流れる水は第２電解用電極７を浸漬させることができる。また、第１流路１５および第２流路１６は、交互に並列に設けることができる。このことにより、本実施形態の水電解装置２３を光電変換部２の受光面が上向きの状態で水平面に対し傾斜した状態で設置することにより、第１電解用電極８および第２電解用電極７で発生した水素および酸素は、分離された状態で並列に並んだ第１流路１５および第２流路１６を上昇し、第１気体排出口２０および第２気体排出口１９から回収することができる。
また、第１流路１５および第２流路１６は、水が対向流通するように連通流路１７により連通することができる。
第１流路１５、第２流路１６は、例えば、図２、３のように第１電解用電極８または第２電解用電極７と背面基板１４との間の空間に設けられ、第１流路１５と第２流路１６は、隔壁１３により分離することができる。
【００８４】
連通流路１７は、水が対向流通するように第１流路１５と第２流路１６とを連通することができる。例えば、第１流路１５と第２流路１６とが帯状の隔壁１３を挟んで並列に設けられた場合、隔壁１３の長さ方向の端部に連通流路１７を形成することにより、第１流路１５および第２流路１６を流れる水を対向流通させることができる。このことにより、第１流路１５および第２流路１６を流れる水に含まれる微生物などが第１電解用電極８および第２電解用電極７に接触する機会を多くすることができ、効率よく水を浄化処理することができる。
なお、連通流路１７が第１流路１５と第２流路１６を仕切る隔壁１３に設けられた場合、隔壁１３に開口を設けることにより連通流路１７を形成してもよく、隔壁１３が形成されていない部分を作ることにより連通流路１７を形成してもよい。
【００８５】
連通流路１７は、水が蛇行流通するように第１流路１５と第２流路１６とを連通することができる。このことにより、より効率よく水を浄化処理することができる。例えば、図３のように第１電解用電極８および第２電解用電極７がそれぞれ複数であり、隔壁１３を挟んで交互に並列に配置された場合、連通流路１７は、並列に並んだそれぞれの隔壁１３の端部に形成することができ、隣接する隔壁に形成された連絡通路１７は、列方向の反対側の端部に形成されてもよい。このことにより、水を並列に並んだ第１流路１５と第２流路１６とを交互に流通されることができ、蛇行流通させることができる。
給水口１８および排水口２１は、第１流路１５と第２流路１６とに水を流すために設けることができる。例えば、給水口１８および排水口２１は、透光性基板１と背面基板１４とを接着したシール材２８に開口を形成することにより形成することができる。また、図３のように第１流路１５、第２流路１６および連通流路１７が、水が蛇行流通するように形成されている場合、水が蛇行流通する始点に近接するシール材２８に給水口１８を設けることができ、水が蛇行流通する終点に近接するシール材２８に排水口２１を設けることができる。
【００８６】
第１気体排出口２０および第２気体排出口１９は、水電解装置２３を傾斜させて設置したとき、水電解装置２３の上側の部分のシール材２８に開口を作ることにより設けることができる。また、第１気体排出口２０と第２気体排出口１９は、それぞれ隔壁１３を挟んで第１電解用電極８側と第２電解用電極７側に設けることができる。また、第１気体排出口２０は、図４のように第１気体排出路２５を接合することができ、第２気体排出口２０は、第２気体排出路２６に接合することができる。このことにより、第１電解用電極８および第２電解用電極７で発生させた水素および酸素は、分離して回収することができる。
【００８７】
１４．シール材
シール材２８は、透光性基板１と背面基板１４を接着し、第１流路１５および第２流路１６を構成するための材料である。また、背面基板１４に箱状のものを用いた場合、シール材２８は、箱状のものと透光性基板１とを接着するための材料である。シール材２８は、例えば、紫外線硬化性接着剤、熱硬化性接着剤等が好適に使用されるが、その種類は限定されるものではない。紫外線硬化性の接着剤としては、２００〜４００ｎｍの波長を持つ光を照射することにより重合が起こり光照射後数秒で硬化反応が起こる樹脂であり、ラジカル重合型とカチオン重合型に分けられ、ラジカル重合型樹脂としてはアクリルレート、不飽和ポリエステル、カチオン重合型としては、エポキシ、オキセタン、ビニルエーテル等が挙げられる。また熱硬化性の高分子接着剤としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、熱硬化性ポリイミド等の有機樹脂が挙げられる。熱硬化性の高分子接着剤は、熱圧着時に圧力を掛けた状態で加熱重合し、その後、加圧したまま、室温まで冷却することにより、各部材を良好に接合させるため、締め付け部材等を要しない。また、有機樹脂に加えて、ガラス基板に対して密着性の高いハイブリッド材料を用いることが可能である。ハイブリッド材料を用いることによって、弾性率や硬度等の力学的特性が向上し、耐熱性や耐薬品性が飛躍的に向上する。ハイブリッド材料は、無機コロイド粒子と有機バインダ樹脂とから構成される。例えば、シリカなどの無機コロイド粒子と、エポキシ樹脂、ポリウレタンアクリレート樹脂やポリエステルアクリレート樹脂などの有機バインダ樹脂とから構成されるものが挙げられる。
【００８８】
ここではシール材２８と記しているが、基板１と背面基板１４などを接着させる機能を有するものであれば限定されず、樹脂製あるいは金属製のガスケットを用い外部からネジ等の部材を用いて物理的に圧力を加え機密性を高める方法等を適宜用いることも可能である。
【００８９】
１５．第１流路および第２流路を流れる水
第１流路１５および第２流路１６を流れる水は、Ｈ2Ｏを主成分とする液体であり、蒸留水であってもよく、水を溶媒とし溶質を含む水溶液であってもよい。この水は、例えば、電解質を含む水溶液である電解液であってもよく、冷却塔などで用いられる冷却水であってもよい。電解液の例としては、０．１ＭのＨ2ＳＯ4を含む電解液、０．１Ｍリン酸カリウム緩衝液などである。電解液を用いる場合、気体発生反応のためのイオン移動が起これば電解質の種類は問われず、電解質濃度は限定されない。
【００９０】
１６．送液用ポンプ、ろ過フィルター、微生物量測定装置および貯水槽
本実施形態の水電解装置２３は、給水口１８に導通した送液用ポンプ３２をさらに備えることができ、送液用ポンプ３２は、第１流路１５および第２流路１６に水を流すことができるように設けることができる。例えば、図５のように送液用ポンプ３２は、導管を介して給水口１８と連結してもよい。
また、本実施形態の水電解装置２３は、貯水槽３６を備えてもよい。この貯水槽３６は、排水口２１から排出される水を溜めることができ、送液用ポンプ３２は、貯水槽３６に溜まった水を給水口１８に供給することができる。また、貯水槽３６は、本実施形態の水電解装置２３により、浄化処理を行う水を溜めることもできる。このことにより、浄化処理を行う水を給水口１８に供給することができ、水を浄化することができる。また、貯水槽３６を複数備えてもよく水分解装置２３で浄化前の水と浄化後の水とを分けて溜めてもよい。
【００９１】
本実施形態の水電解装置２３は、給水口１８に供給する水中の夾雑物を取り除くためのろ過フィルター３５を備えてもよい。このことにより第１流路１５および第２流路１６が汚れることを抑制することができる。
本実施形態の水電解装置２３は、給水口１８に供給する水中の微生物量を測定する微生物量測定装置３４を備えてもよい。また、送液用ポンプ３２は、微生物量測定装置３４により測定された微生物量に応じて給水口１８に供給する水量を変化させてもよい。このことにより、より効率的に水の浄化を行うことができる。
【００９２】
１７．切換部
本実施形態の水電解装置２３は、切換部３０を備えてもよく、切換部３０は、第１電極４および第２電極５と電気的に接続することができる。また、切換部３０は、第１電極４と第２電極５とに生じる起電力を外部回路に出力することができる。このことにより、光電変換部２が受光することにより生じた起電力を外部回路に出力することができる。切換部３０を有する水電解装置２３は、例えば図６のような電気回路を有することができる。スイッチ（ＳＷ）１およびＳＷ２をＯＦＦ状態とした場合、光電変換部２が受光することにより生じた起電力を第１電解用電極８および第２電解用電極７に出力することができ、水の電気分解による水素の製造または第１流路１５および第２流路１６を流れる水の浄化に利用することができる。また、ＳＷ１およびＳＷ２をＯＮ状態にした場合、光電変換部２が受光することにより生じた起電力を外部回路に出力することができ、外部回路において電力を利用することができる。
【符号の説明】
【００９３】
１： 基板    ２：光電変換部    ４：第１電極    ５：第２電極    ７：第２電解用電極    ８：第１電解用電極    １０：第１導電部    １１：絶縁部    １２：流路    １３：隔壁    １４：背面基板    １５：第１流路    １６：第２流路    １７：連通流路    １８：給水口    １９：第２気体排出口    ２０：第１気体排出口    ２１：排水口    ２３：水電解装置    ２５：第１気体排出路    ２６：第２気体排出路    ２８：シール材    ３０：切換部    ３２：送液用ポンプ    ３４：微生物量測定装置    ３５：ろ過フィルター    ３６：貯水槽
【図１】
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【図２】
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【図３】
2012041623.tif 000005
【図４】
2012041623.tif 000006
【図５】
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【図６】
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