(57)【要約】【課題】人工光合成装置において、系全体でのエネルギー変換効率を向上させる。【解決手段】光が照射されることによって内部光電効果を発生する光発電素子１２と、電解液１１を収容する容器１０と、光発電素子１２と電気的に接続されるとともに電解液１１に浸されており、二酸化炭素の還元反応で炭素化合物を生成する還元電極１３と、光発電素子１２と電気的に接続されるとともに電解液１１に浸されており、水の酸化反応で酸素および水素イオンを生成する酸化電極１４と、光発電素子１２における還元電極１３に対向する部位に設けられ、二酸化炭素が選択的に高い吸収率を示す波長域で輻射率が高くなる輻射スペクトルを発生する還元用輻射部１８と、光発電素子１２における酸化電極１４に対向する部位に設けられ、水が選択的に高い吸収率を示す波長域で輻射率が高くなる輻射スペクトルを発生する酸化用輻射部１９とを設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光が照射されることによって内部光電効果を発生する光発電素子（１２）と、
電解液（１１）を収容する容器（１０）と、
前記光発電素子と電気的に接続されるとともに前記電解液に浸されており、二酸化炭素の還元反応で炭素化合物を生成する還元電極（１３）と、
前記光発電素子と電気的に接続されるとともに前記電解液に浸されており、水の酸化反応で酸素および水素イオンを生成する酸化電極（１４）と、
前記光発電素子における前記還元電極に対向する部位に設けられ、二酸化炭素が選択的に高い吸収率を示す波長域で輻射率が高くなる輻射スペクトルを発生する還元用輻射部（１８）と、
前記光発電素子における前記酸化電極に対向する部位に設けられ、水が選択的に高い吸収率を示す波長域で輻射率が高くなる輻射スペクトルを発生する酸化用輻射部（１９）と、
を備える人工光合成装置。
【請求項２】
前記酸化用輻射部は、波長域５０００〜７７００ｎｍで輻射率が高くなる請求項１に記載の人工光合成装置。
【請求項３】
前記酸化用輻射部は、水が選択的に高い吸収率を示す波長域に対応する大きさの凹凸構造が周期的に設けられた周期的凹凸構造を備えている請求項１または２に記載の人工光合成装置。
【請求項４】
光が照射されることによって内部光電効果を発生する光発電素子（１２）と、
電解液（１１）を収容する容器（１０）と、
前記光発電素子と電気的に接続されるとともに前記電解液に浸されており、二酸化炭素の還元反応で炭素化合物を生成する還元電極（１３）と、
前記光発電素子と電気的および熱的に接続されるとともに前記電解液に浸されており、水の酸化反応で酸素および水素イオンを生成する酸化電極（１４）と、
前記光発電素子における前記還元電極に対向する部位に設けられ、二酸化炭素が選択的に高い吸収率を示す波長域で輻射率が高くなる輻射スペクトルを発生する還元用輻射部（１８）と、
を備える人工光合成装置。
【請求項５】
前記還元用輻射部は、波長域４１５０〜４３５０ｎｍで輻射率が高くなる請求項１ないし４のいずれか１つに記載の人工光合成装置。
【請求項６】
前記還元用輻射部は、二酸化炭素が選択的に高い吸収率を示す波長域に対応する大きさの凹凸構造が周期的に設けられた周期的凹凸構造を備えている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の人工光合成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工的に光合成を行うことが可能な人工光合成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、太陽光の光エネルギーを利用して、水と二酸化炭素から水素や炭素を含む炭素化合物（メタノールなど）と共に酸素を生成する光合成を人工的に行う人工光合成システムが研究されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、半導体と二酸化炭素の還元作用を呈する金属錯体を用いて、二酸化炭素をギ酸に還元することが開示されている。特許文献２には、ＳｉＣ／Ｓｉ系半導体を用いて炭素化合物や水素を生成することが開示されている。非特許文献１には、ＧａＡｓ系半導体を用いて水素を生成することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−９４１９４号公報
【特許文献２】特開２０１６−３４６１１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Turner et al., Science 17 April 1998 vol.280, Issue 5362, pp.425-427
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来技術の人工光合成装置では、太陽光のうち限られた波長帯の光エネルギーしか利用できていない。例えばＳｉ、ＧａＡｓ等の半導体では、光が照射されると内部光電効果により電子／正孔対が生成するが、半導体のバンドギャップから決まる閾値波長λLより長い波長の光は内部光電効果に用いられていない。
【０００７】
例えばＧａＡｓを用いた場合は、閾値波長λL８００ｎｍよりも長い波長の近赤外光は、吸収されず透過するか、熱としてＧａＡｓに吸収されて温度を上昇させる。波長１０００ｎｍの光がＧａＡｓを透過する割合は約５０％であり、残りの約５０％は熱としてＧａＡｓに吸収される。つまり、閾値波長λLよりも長い波長域の光は電気エネルギーに変換されないばかりでなく半導体を高温にするため、光エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を低下させる原因となる。
【０００８】
本発明は上記点に鑑み、人工光合成装置において、系全体でのエネルギー変換効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、光が照射されることによって内部光電効果を発生する光発電素子（１２）と、電解液（１１）を収容する容器（１０）と、光発電素子と電気的に接続されるとともに電解液に浸されており、二酸化炭素の還元反応で炭素化合物を生成する還元電極（１３）と、光発電素子と電気的に接続されるとともに電解液に浸されており、水の酸化反応で酸素および水素イオンを生成する酸化電極（１４）とを備える人工光合成装置において、光発電素子における還元電極に対向する部位に設けられ、二酸化炭素が選択的に高い吸収率を示す波長域で輻射率が高くなる輻射スペクトルを発生する還元用輻射部（１８）と、光発電素子における酸化電極に対向する部位に設けられ、水が選択的に高い吸収率を示す波長域で輻射率が高くなる輻射スペクトルを発生する酸化用輻射部（１９）とを設ける。
【００１０】
本発明によれば、光発電素子に輻射部を設けることで、光発電素子の熱エネルギーを輻射によって二酸化炭素あるいは水に伝えることができる。これにより、二酸化炭素や水が温度上昇し、電極での酸化・還元反応の反応効率を向上させることができる。この結果、光発電素子で電気エネルギーに変換されない波長域の光エネルギーを電極上での酸化・還元反応に積極的に有効利用することができ、系全体のエネルギー変換効率を向上させることができる。
【００１１】
また、光発電素子に輻射部を設けることで、光発電素子は熱エネルギーを放出することができ、光発電素子の温度を低下させることができる。これにより、光発電素子の温度上昇によるエネルギー変換効率の低下を抑制することができる。
【００１２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態の人工光合成装置の全体構成を示す説明図である。
【図２】輻射部の微細周期構造を示す斜視図である。
【図３】第１輻射部の輻射率を示すグラフである。
【図４】第２輻射部の輻射率を示すグラフである。
【図５】黒体のスペクトル強度を示すグラフである。
【図６】第２実施形態の人工光合成装置の全体構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１５】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる人工光合成装置１について説明する。本実施形態の人工光合成装置１は、太陽光を照射することで酸素生成、水素生成および炭素化合物（メタノール等）生成を行うものとして用いられる。
【００１６】
図１に示すように、人工光合成装置１は、容器１０を備えている。容器１０には、電解液１１が収容されている。電解液１１は特に限定されないが、本実施形態では炭酸水素カリウム水溶液を用いている。炭酸水素カリウム水溶液の濃度は、０．１ｍｏｌ／Ｌとしている。
【００１７】
人工光合成装置１には、ＰＶセル１２が設けられている。本実施形態では、ＰＶセル１２は、容器１０の外部に設けられている。なお、ＰＶセル１２が本発明の光発電素子に相当している。
【００１８】
本実施形態では、ＰＶセル１２を構成する半導体として直接遷移型半導体であるＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いている。本実施形態のＩＩＩ−Ｖ族半導体は、２接合または３接合のタンデム構造であり、トンネル接合となっている。そのようなＩＩＩ−Ｖ族半導体としては、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／ＧａＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓを例示でき、各半導体は各々ＰＮ接合を形成し、基板はＧｅ基板若しくはＧａＡｓ基板を用いる。このＰＮ接合が２つのときが２接合で、３つのときが３接合である。また、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板としてＳｉ半導体を用いてもよい。
【００１９】
還元電極１３および酸化電極１４は、ＰＶセル１２と別体として構成され、ＰＶセル１２と離れて配置されている。還元電極１３および酸化電極１４は、ＰＶセル１２と配線を介して電気的に接続されている。還元電極１３および酸化電極１４としては、例えば白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、二酸化チタン（ＴｉＯ2）若しくは酸窒化タンタル（ＴａＯＮ）を用いることができる。
【００２０】
還元電極１３および酸化電極１４は、容器１０の内部に配置され、電解液１１に浸された状態となっている。図１に示す例では、還元電極１３の方が酸化電極１４よりもＰＶセル１２から離れた位置に設けられている。
【００２１】
ＰＶセル１２では、太陽光が照射されると内部光電効果（光起電力効果）によって電子／正孔対が発生する。図１に示す例では、ＰＶセル１２の左側から太陽光が照射され、ＰＶセル１２の左側の面が受光面となっている。ＰＶセル１２で発生した電子は還元電極１３に移動し、正孔は酸化電極１４に移動する。
【００２２】
還元電極１３の表面では、以下に示す二酸化炭素の還元反応が行われ、炭素化合物（メタノール等）および水素が生成する。
【００２３】
ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ
２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2
酸化電極１４の表面では、以下に示す水の酸化反応が行われ、水素イオンおよび酸素が生成する。
【００２４】
２Ｈ2Ｏ＋４ｈ+→４Ｈ+＋Ｏ2
酸化電極１４側で発生した水素イオンは、還元電極１３側に移動し、上述した二酸化炭素の還元反応に用いられる。
【００２５】
容器１０には、電解質膜１５が設けられている。電解質膜１５は、還元電極１３と酸化電極１４の間に配置される。電解質膜１５は、水素イオンの移動を許容しつつ、還元電極１３側と酸化電極１４側で電解液１１を分離する。電解質膜１５としては、例えばナフィオン（デュポン社の登録商標）を用いることができる。
【００２６】
容器１０には、ＣＯ2供給管１６が挿入されている。ＣＯ2供給管１６から二酸化炭素が電解液１１における還元電極１３側に供給される。
【００２７】
容器１０の外部には、集光レンズ１７が設けられている。集光レンズ１７は、太陽光をＰＶセル１２に集光する機能を備えている。集光レンズ１７としては、例えば球面レンズまたはフレネルレンズを用いることができる。
【００２８】
集光レンズ１７によって太陽光を集光することで、ＰＶセル１２の光エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を向上させることができる。特に、本実施形態でＰＶセル１２として用いているＩＩＩ−Ｖ族半導体は、集光による変換効率を向上させる効果が大きい。
【００２９】
本実施形態では、ＰＶセル１２に輻射部１８、１９が設けられている。輻射部１８、１９は、ＰＶセル１２における受光面の反対側に設けられている。つまり、輻射部１８、１９は、ＰＶセル１２における還元電極１３、酸化電極１４に対向する側に設けられている。なお、第１輻射部１８が本発明の還元用輻射部に相当し、第２輻射部１９が本発明の酸化用輻射部に相当している。
【００３０】
本実施形態では、複数の輻射部１８、１９が設けられており、第１輻射部１８が還元電極１３に対応し、第２輻射部１９が酸化電極１４に対応している。第１輻射部１８は、還元電極１３に対向する位置に設けられ、第２輻射部１９は、酸化電極１４に対向する位置に設けられている。
【００３１】
ＰＶセル１２では、太陽光が照射されることで内部光電効果によって電子が励起されるが、光エネルギーのうち一部は熱として放出され発熱する。輻射部１８、１９は、熱を電磁波として放出する輻射（熱放射）を行う放射構造体である。このため、ＰＶセル１２の熱は、輻射部１８、１９から電磁波として電極１３、１４に向かって放出される。
【００３２】
本実施形態の輻射部１８、１９は、特定の波長域の輻射率が他の波長域の輻射率より高い輻射スペクトルを発生可能となっている。特定の波長域の輻射率を他の波長域の輻射率より高くするためには、特定の波長域で輻射率を向上させるか、あるいは特定の波長域以外の波長域での輻射率を抑制させればよい。
【００３３】
特定の波長域の輻射率を高くするためには、輻射部１８、１９を構成する材料として、特定の波長域での輻射率が高くなる材料、若しくは特定の波長域での輻射率が低くなる材料を用いればよい。例えば、特定の波長に対して分子間の振動が励起される分子結合を有する材料を用いることができる。ＳｉＯ系材料に含まれるＳｉ−Ｏ結合は、波長域９．１〜１０μｍ辺りに選択的に高い輻射率のピークを有している。このため、輻射部１８、１９の材料として、所望の波長域に強い輻射ピークを持つ材料を用いればよい。
【００３４】
また、特定の波長域の輻射率を高くするためには、輻射部１８、１９の表面に凹凸形状が周期的に設けられた微細構造（周期的凹凸構造）を設け、凹凸形状の代表サイズを輻射率を高くしたい波長に対応した大きさにすればよい。このような周期的微細構造としては、１次元であれば誘電体多層膜構造を用いることができ、２次元であれば一辺の長さが所望の波長と同程度の微小空洞（マイクロキャビティ）が周期的に並んだ微細周期構造を用いることができる。
【００３５】
図２に示すように、本実施形態の輻射部１８、１９は、微細周期構造を備えた構造体として構成されている。微細周期構造は、波長オーダーの微小空洞が周期的に多数形成されている。微小空洞の各辺の寸法Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚを輻射率を高くしたい波長と同程度とすることで、空洞内に生ずる定在波と波長が合う電磁波のみが放射され、特定の波長域で強い放射を生じさせることができる。これにより、特定の波長域で１に近い輻射率を示し、特定の波長域以外の波長域で０に近い輻射率を示す特性を得ることができる。
【００３６】
第１輻射部１８では、微小空洞の各辺の寸法Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚを４１５０〜４３５０ｎｍ程度とすることで、波長域４１５０〜４３５０ｎｍでの輻射ピークを高くすることができる。同様に、第２輻射部１９では、微小空洞の各辺の寸法Ｌｘ、Ｌｙ、Ｌｚを５０００〜７７００ｎｍ程度とすることで、波長域５０００〜７７００ｎｍでの輻射ピークを高くすることができる。なお、隣り合う微小空洞の間隔は、できるだけ小さい方が望ましい。
【００３７】
輻射部１８、１９は、ＰＶセル１２の表面を直接微細加工するか、若しくは輻射部１８、１９をＰＶセル１２とは別部材として作製し、ＰＶセル１２に貼り付けて用いることができる。
【００３８】
微細周期構造は、例えばフォトリソグラフィにより作製することができる。まず、微細周期構造を形成する部位にレジストのコーティングする。次に、微細周期構造パターンの形成および現像を行い、さらにエッチングを行うことで微細周期構造を作製することができる。
【００３９】
上記構成を備える輻射部１８、１９は、特定の波長域での輻射率が向上し、それ以外の領域では輻射率が抑制されている。図３に示すように、第１輻射部１８は、二酸化炭素（ＣＯ2）が選択的に高い吸収率を示す波長域４１５０〜４３５０ｎｍでの近赤外光に対してのみ輻射率が高くなっている。図４に示すように、第２輻射部１９は、水（Ｈ2Ｏ）が選択的に高い吸収率を示す波長域５０００〜７７００ｎｍでの近赤外光に対してのみ輻射率が高くなっている。
【００４０】
通常、物体から出る輻射スペクトルは温度と材料でほぼ決定する。例えば、常温の黒体では、図５に示すように波長１０μｍ程度でピークを持つブロードな分布となる。このため、常温での第１輻射部１８による輻射は、図３に示された輻射率と、図５のスペクトル強度の積に比例した特性となる。また、常温での第２輻射部１９による輻射は、図４に示された輻射率と、図５のスペクトル強度の積に比例した特性となる。
【００４１】
このため、第１輻射部１８による輻射は、波長域４１５０〜４３５０ｎｍが輻射が強く、それ以外の領域の輻射は抑制されたものになる。この波長域は二酸化炭素の吸収率が選択的に高くなる波長域であり、かつ、水の吸収ピークから外れている。同様に、第２輻射部１９による輻射は、波長域５０００〜７７００ｎｍが輻射が強く、それ以外の領域の輻射は抑制されたものになる。この波長域は水の吸収率が選択的に高くなる波長域である。
【００４２】
以上のような構成により、本実施形態の人工光合成装置１が構成されている。次に、本実施形態の人工光合成装置１の動作について説明する。
【００４３】
まず、ＰＶセル１２に、集光レンズ１７によって集光された太陽光が照射される。太陽光の照射によってＰＶセル１２に光エネルギーが吸収されると電子／正孔対が励起され、電子は還元電極１３側へ移動し、正孔は酸化電極１４側へ移動する。
【００４４】
酸化電極１４では水を酸化可能なエネルギーを持った正孔が集まり、水の酸化、すなわち酸素生成と水素イオン生成が行われる。水素イオンは、電解質膜１５を通過して還元電極１３側に移動する。還元電極１３では、酸化電極１４側で生成した水素イオンを還元して水素が生成される。二酸化炭素を流した場合には、還元電極１３で二酸化炭素が還元され、炭素化合物（メタノール等）が合成される。このような反応が繰り返されることで、酸素生成および炭素化合物生成が連続的に行われる。
【００４５】
ＰＶセル１２では、吸収した光エネルギーの一部を熱として放出して発熱する。ＰＶセル１２表面からの輻射は、二酸化炭素の熱的励起に寄与する波長域が弱く、還元電極１３表面に到達する前に大部分が水に吸収される。また、ＰＶセル１２の表面からの輻射は、水の熱的励起に寄与する波長域が弱く、水に効率よく熱エネルギーとして吸収させることができない。
【００４６】
本実施形態では、ＰＶセル１２における還元電極１３との対向面に、二酸化炭素の吸収率が選択的に高くなる波長域４１５０〜４３５０ｎｍでの輻射が強くなる第１輻射部１８が設けられている。このため、輻射として外部に出てくるスペクトル自体が強くなり、かつ、容器１０中の水に吸収されることなく還元電極１３表面付近で二酸化炭素に効率よく熱エネルギーとして吸収される。これにより、還元電極１３表面で二酸化炭素が温度上昇し、還元電極１３での二酸化炭素の還元反応が促進される。
【００４７】
同様に、ＰＶセル１２における酸化電極１４との対向面には、水の吸収率が選択的に高くなる波長域５０００〜７７００ｎｍでの輻射が強くなる第２輻射部１９が設けられている。このため、第２輻射部１９からの輻射は、容器１０中の水に効率よく熱エネルギーとして吸収される。これにより、酸化電極１４表面で水が温度上昇し、酸化電極１４での水の酸化反応が促進される。
【００４８】
以上説明した本実施形態によれば、ＰＶセル１２に輻射部１８、１９を設けることで、ＰＶセル１２の熱エネルギーを輻射によって二酸化炭素あるいは水に伝えることができる。これにより、二酸化炭素や水が温度上昇し、電極１３、１４での酸化・還元反応の反応効率を向上させることができる。
【００４９】
ＰＶセル１２で電気エネルギーに変換されない波長域（主に近赤外光）が太陽光スペクトルに含まれる割合は大きい。このため、近赤外光エネルギーを電極１３、１４上での酸化・還元反応に積極的に有効利用することで、系全体のエネルギー変換効率を向上させることができる。
【００５０】
また、還元電極１３に対向して設けられた第１輻射部１８は、二酸化炭素の吸収率が高い波長域４１５０〜４３５０ｎｍで輻射率が高くなっている。このため、第１輻射部１８が発生する輻射エネルギーを還元電極１３付近に供給される二酸化炭素に効率よく吸収させることができる。同様に、酸化電極１４に対向して設けられた第２輻射部１９は、水の吸収率が高い波長域５０００〜７７００ｎｍで輻射率が高くなっている。このため、第２輻射部１９が発生する輻射エネルギーを酸化電極１４付近で水に効率よく吸収させることができる。
【００５１】
また、ＰＶセル１２に輻射部１８、１９を設けることで、ＰＶセル１２は熱エネルギーを放出することができ、ＰＶセル１２の温度を低下させることができる。これにより、ＰＶセル１２の温度上昇によるエネルギー変換効率の低下を抑制することができる。
【００５２】
さらに、ＰＶセル１２の表面に輻射部１８、１９として微細周期構造を設けることで、電極板表面積が増大することになり、電極１３、１４とＰＶセル１２間の電気インピーダンスがより整合することになるため、系全体での反応効率が向上する。
【００５３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６に基づいて説明する。本第２実施形態では、上記第１実施形態と同様の部分は説明を省略し、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。なお、図６では、集光レンズ１７の図示を省略している。
【００５４】
図６に示すように、本第２実施形態では、ＰＶセル１２に第２輻射部１９が設けられておらず、第１輻射部１８のみが設けられている。第１輻射部１８は、ＰＶセル１２における還元電流１３に対向する位置に設けられている。また、酸化電極１４がＰＶセル１２の表面に接合されており、ＰＶセル１２と酸化電極１４が一体化した構造となっている。ＰＶセル１２で発生した正孔は配線を介することなく酸化電極１４に直接移動する。また、酸化電極１４はＰＶセル１２と熱的に接続されている。
【００５５】
ＰＶセル１２は、容器１０の壁面に設けられている。ＰＶセル１２における太陽光が照射される受光面は、容器１０の外側に露出した状態となっている。一方、ＰＶセル１２の受光面の反対側に設けられた第１輻射部１８および酸化電極１４は、電解液１１に浸された状態となっている。還元電極１３は、上記第１実施形態と同じく電解質膜１５を挟んでＰＶセル１２とは離れて設置されている。
【００５６】
本第２実施形態の構成によれば、上記第１実施形態と同様、ＰＶセル１２に設けられた第１輻射部１８によって、ＰＶセル１２で発生した熱エネルギーが輻射の形で還元電極１３付近に存在する二酸化炭素に伝達される。第１輻射部１８は、波長域４１５０〜４３５０ｎｍで高輻射となる放射構造体として構成されているので、還元電極１３付近に存在する二酸化炭素に効率的に熱エネルギーを伝えられるため、二酸化炭素の還元反応を促進させることができる。
【００５７】
一方、ＰＶセル１２と酸化電極１４は一体化しているため、太陽光を吸収することでＰＶセル１２内で発生した正孔は酸化電極１４側に直接移動する。また、太陽光を吸収することでＰＶセル１２内で発生した熱エネルギーは、熱伝導で酸化電極１４側に伝わり、酸化電極１４の温度が上昇する。この結果、酸化電極１４表面で水の温度を上昇させることができ、水の酸化反応を促進させることができる。
【００５８】
この構成によれば、ＰＶセル１２と酸化電極１４との間の配線が不要となり、上記第１実施形態の構成に比較して部品点数を低減でき、構成を簡素化することができる。
【００５９】
さらに、酸化電極１４の表面に水の酸化反応を妨げることなく放射構造体を形成できるのであれば、酸化電極１４に水の吸収率が選択的に高くなる波長域５０００〜７７００ｎｍが輻射が強くなる放射構造体を形成することで、熱伝導に加えて輻射を利用して、ＰＶセル１２の熱エネルギーを効率よく水に伝えることができる。
【００６０】
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
【００６１】
（１）例えば、上記第２実施形態では、第１輻射部１８を設けるとともに第２輻射部１９を設けず、酸化電極１４をＰＶセル１２と一体化するように構成したが、これに限らず、第１輻射部１８を設けないとともに第２輻射部１９を設け、還元電極１３をＰＶセル１２と一体化するように構成してもよい。この場合、酸化電極１４がＰＶセル１２と配線で電気的に接続され、電解質膜１５を挟んでＰＶセル１２とは離れて設置される。
【００６２】
（２）また、電解液１１の還元電極１３側にメディエータを含有させてもよい。メディエータは、二酸化炭素還元反応で電子伝達を仲介する化合物である。メディエータとしては、窒素含有芳香族化合物を用いることができる。芳香族化合物は、４ｎ＋２個（ｎは整数）のπ電子を含有する非局在π電子系を有する平面環である。芳香環は、５、６、７、８、９個、又は１０個以上の原子によって形成され得る。芳香族化合物は、単環式および縮合環多環式を含んでいる。
【００６３】
窒素含有芳香族化合物は、芳香環の構成原子の１以上がＮ原子となっている複素芳香族化合物である。窒素含有芳香族化合物は、芳香環の構成原子と結合する１以上の水素が、直鎖または分岐鎖低級アルキル基、ヒドロキシ基、アミノ基、ピリジル基で置換されていてもよい。このようなメディエータを構成する窒素含有芳香族化合物として、イミダゾール、メチルイミダゾール、ジメチルイミダゾール、トリアゾール、ピリジン、ジメチルアミノピリジンを例示できる。
【符号の説明】
【００６４】
１      人工光合成装置
１１    電解液
１２    ＰＶセル（光発電素子）
１３    還元電極
１４    酸化電極
１８    第１輻射部（還元用輻射部）
１９    第２輻射部（酸化用輻射部）
【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５】
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【図６】
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