特許 6184312 人工光合成アレイ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6184312

(24)【登録日】2017年8月4日

(45)【発行日】2017年8月23日

(54)【発明の名称】人工光合成アレイ

(51)【国際特許分類】

   C25B 15/08 20060101AFI20170814BHJP

   H01L 31/04 20140101ALI20170814BHJP

   C25B 9/00 20060101ALI20170814BHJP

   C25B 1/10 20060101ALI20170814BHJP

【ＦＩ】

   C25B15/08

   H01L31/04

   C25B9/00

   C25B1/10

【請求項の数】11

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2013-258305(P2013-258305)

(22)【出願日】2013年12月13日

(65)【公開番号】特開2015-113517(P2015-113517A)

(43)【公開日】2015年6月22日

【審査請求日】2016年3月22日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２５年度産業技術研究開発（革新的触媒による化学製造プロセス技術開発プロジェクトのうち二酸化炭素原料化基幹化学品製造プロセス技術開発）（国庫債務負担行為に係るもの））に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）

(73)【特許権者】

【識別番号】306037311

【氏名又は名称】富士フイルム株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】513056835

【氏名又は名称】人工光合成化学プロセス技術研究組合

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100080159

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 望稔

(74)【代理人】

【識別番号】100090217

【弁理士】

【氏名又は名称】三和 晴子

(74)【代理人】

【識別番号】100152984

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 秀明

(74)【代理人】

【識別番号】100148080

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 史生

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 尚俊

(72)【発明者】

【氏名】堂免 一成

(72)【発明者】

【氏名】塚原 次郎

【審査官】 関口 貴夫

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０４１６２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０６７６８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１７７１５９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２５Ｂ １５／０８

Ｃ２５Ｂ １／１０

Ｃ２５Ｂ ９／００

Ｈ０１Ｌ ３１／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質水溶液から水素ガスを生成させる水素ガス生成部、前記電解質水溶液から酸素ガスを生成させる酸素ガス生成部、ならびに光から電力を発生させ前記水素ガス生成部に前記水素ガスを発生させるための電力および前記酸素ガス生成部に前記酸素ガスを発生させるための電力を供給するための光電変換ユニットが平面上に設けられ、かつ電気的に接続されており、
さらに、前記水素ガス生成部と供給された前記電解質水溶液と生成した水素ガスとを収容する水素用電解室と、前記酸素ガス生成部と供給された前記電解質水溶液と生成した酸素ガスとを収容する酸素用電解室とを備える人工光合成モジュールを複数有し、
複数の前記人工光合成モジュールでは、生成された水素ガスと酸素ガスとが混合されないように前記水素用電解室と前記酸素用電解室が隔離されており、
複数の前記人工光合成モジュールは特定の方向に並んで配置され、かつ複数の前記人工光合成モジュールは前記特定の方向に傾斜し、
前記水素用電解室、前記酸素用電解室の順、または前記酸素用電解室、前記水素用電解室の順で、前記水素用電解室と前記酸素用電解室とが交互に接続されており、
前記各人工光合成モジュールの前記水素用電解室と前記酸素用電解室に前記電解質水溶液が所定の流量で供給されることを特徴とする人工光合成アレイ。

【請求項2】

前記水素ガス生成部と前記酸素ガス生成部は、同一平面上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の人工光合成アレイ。

【請求項3】

前記水素ガス生成部と前記酸素ガス生成部とは、互いに異なる面に設けられている請求項１に記載の人工光合成アレイ。

【請求項4】

前記水素ガス生成部および前記酸素ガス生成部は、前記供給される前記電解質水溶液の流れに対して傾斜して配置されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の人工光合成アレイ。

【請求項5】

前記光電変換ユニットは、複数の光電変換素子が直列に接続されたものである請求項１〜４のいずれか１項に記載の人工光合成アレイ。

【請求項6】

前記光電変換素子は、ｐｎ接合を有する無機半導体膜を備える請求項５に記載の人工光合成アレイ。

【請求項7】

前記無機半導体膜は、ＣＩＧＳ化合物半導体を含む請求項６に記載の人工光合成アレイ。

【請求項8】

前記無機半導体膜は、ＣＺＴＳ化合物半導体を含む請求項６に記載の人工光合成アレイ。

【請求項9】

前記水素ガス生成部は機能層で覆われており、前記機能層は弱酸性溶液および弱アルカリ性溶液に不溶であり、かつ光透過性、遮水性および導電性を兼ね備える請求項１〜８のいずれか１項に記載の人工光合成アレイ。

【請求項10】

前記機能層は、その表面に助触媒が設けられており、前記助触媒はＰｔ、Ｐｔを含むもの、またはＲｈで構成される請求項９に記載の人工光合成アレイ。

【請求項11】

前記光電変換ユニットは保護層で覆われており、前記保護層は弱酸性溶液および弱アルカリ性溶液に不溶であり、かつ光透過性、遮水性および絶縁性を兼ね備える請求項１〜１０のいずれか１項に記載の人工光合成アレイ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光を受光して水を分解して水素および酸素を製造する複数の人工光合成モジュールを有する人工光合成アレイに関し、特に、水中のイオン濃度またはｐＨ値を一定に保つことができる人工光合成アレイに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、再生可能なエネルギーである太陽光エネルギーを利用する形態の１つとして、太陽電池に使用される光電変換材料を用いて、光電変換で得られる電子と正孔とを水の分解反応に利用して、燃料電池等に用いられる水素を製造する水素製造装置が提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。

【0003】

特許文献１に開示の水素製造装置は、太陽光が入射されると起電力を発生するｐｎ接合を２つ以上直列にした光電変換部または太陽電池を設け、その上側の太陽光を受光する受光面とは逆の光電変換部または太陽電池の下側に電解液室を設け、電解室内をイオン伝導性隔壁または隔膜によって分けている。特許文献１では、太陽光の受光により光電変換部または太陽電池で発生する電力により、電解液室内で水を電気分解して水素ガスおよび酸素ガスを発生させる。
特許文献１に開示の水素製造装置は、さらに、受光面の太陽光に対する向きを調整することができるので、光電変換する入射光の量を多くすることができ、かつ、水素生成効率を低下させることはないとしている。

【0004】

また、特許文献２に開示の水電解装置は、受光面とその裏面を有し、かつ、受光することにより受光面と裏面との間に電位差が生じる光電変換部と、光電変換部の裏面側に設けられ、かつ、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、光電変換部の裏面側に設けられ、かつ、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る。第１電解用電極および第２電解用電極は、流路内の水に浸漬可能に設けられ、かつ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水素ガスおよび酸素ガスをそれぞれ発生させるように設けられている。第１電解用電極および第２電解用電極のいずれか一方が水素発生部であり、他方が酸素発生部である。
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ており、第１流路と第２流路とを仕切るように隔壁が設けられている。第１流路および第２流路は複数あり、交互に並列に設けられ、更には連通流路により隣接する第１流路と第２流路が連通されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２−１７７１６０号公報

【特許文献2】特開２０１２−４１６２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述の特許文献１、２のように、光照射により水を水素ガスと酸素ガスに分解する装置において、水素ガスと酸素ガスを分離して生成する場合、水素発生部と酸素発生部を物理的に隔てる必要がある。一方で、水を分解し続けると、水素発生部と酸素発生部とで、水中のイオン濃度またはｐＨ値に差異が生じてきてしまい、水分解能が低下してしまう。その対策として、デュポン社製のナフィオン（登録商標）等のイオン交換膜を隔壁として設けることで、イオン濃度またはｐＨを一定に保つ方法が知られている。しかし、この様な膜で空間を隔てる場合、水素ガスと酸素ガスを完全に分離して、水素ガスと酸素ガスの混合を防ぐことは難しく、水中のイオン濃度またはｐＨ値を一定に保つことが困難であるという問題点がある。

【0007】

本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、水素ガスと酸素ガスの混合を抑制し、水中のイオン濃度またはｐＨ値を一定に保つことができる人工光合成アレイを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために、本発明は、電解質水溶液から水素ガスを生成させる水素ガス生成部、電解質水溶液から酸素ガスを生成させる酸素ガス生成部、ならびに光から電力を発生させ水素ガス生成部に水素ガスを発生させるための電力および酸素ガス生成部に酸素ガスを発生させるための電力を供給するための光電変換ユニットが平面上に設けられ、かつ電気的に接続されており、さらに、水素ガス生成部と供給された電解質水溶液と生成した水素ガスとを収容する水素用電解室と、酸素ガス生成部と供給された電解質水溶液と生成した酸素ガスとを収容する酸素用電解室とを備え、水素用電解室と酸素用電解室は生成された水素ガスと酸素ガスとが混合されないように隔離された人工光合成モジュールを複数有し、水素用電解室が隣接する別の人工光合成モジュールの酸素用電解室に接続され、酸素用電解室が隣接する別の人工光合成モジュールの水素用電解室に接続されており、水素ガス生成部と別の人工光合成モジュールの酸素ガス生成部とが並んでいる方向に人工光合成モジュールが傾斜し、各人工光合成モジュールの水素用電解室と酸素用電解室に電解質水溶液が所定の流量で供給されることを特徴とする人工光合成アレイを提供するものである。

【0009】

水素ガス生成部と酸素ガス生成部は、同一平面上に設けられていることが好ましく、水素ガス生成部と酸素ガス生成部とは、互いに異なる面に設けられていてもよい。
水素ガス生成部および酸素ガス生成部は、供給される電解質水溶液の流れに対して傾斜して配置されていることが好ましい。
また、例えば、光電変換ユニットは、複数の光電変換素子が直列に接続されたものである。
光電変換素子は、ｐｎ接合を有する無機半導体膜を備えることが好ましい。例えば、無機半導体膜は、ＣＩＧＳ化合物半導体を含むものであり、無機半導体膜は、ＣＺＴＳ化合物半導体を含むものである。

【0010】

さらに、水素ガス生成部は機能層で覆われており、機能層は弱酸性溶液および弱アルカリ性溶液に不溶であり、かつ光透過性、遮水性および導電性を兼ね備えることが好ましい。また、機能層は、その表面に助触媒が設けられ、金属または導電性酸化物（過電圧が０．５Ｖ以下）もしくはその複合物であることが好ましく、助触媒はＰｔ、Ｐｔを含むもの、またはＲｈで構成されることが好ましい。
光電変換ユニットは保護層で覆われており、保護層は弱酸性溶液および弱アルカリ性溶液に不溶であり、かつ光透過性、遮水性および絶縁性を兼ね備えることが好ましい。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、複数の人工光合成モジュールの接続形態を工夫することにより、水中のイオン濃度またはｐＨ値を一定に保つことができ、しかも水素ガスと酸素ガスの混合を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の第１の実施形態の人工光合成アレイを示す模式的平面図である。

【図2】図１に示す第１の実施形態の人工光合成アレイの側面図である。

【図3】本発明の第１の実施形態の人工光合成アレイを構成する人工光合成モジュールを示す模式的平面である。

【図4】本発明の第１の実施形態の人工光合成アレイを構成する人工光合成モジュールを示す模式的側面図である。

【図5】本発明の第１の実施形態の人工光合成アレイを構成する人工光合成モジュールの構成を詳細に示す模式的断面図である。

【図6】本発明の第２の実施形態の人工光合成アレイを示す模式的平面図である。

【図7】図６に示す第２の実施形態の人工光合成アレイの側面図である。

【図8】本発明の第２の実施形態の人工光合成アレイを構成する人工光合成モジュールを示す模式的平面である。

【図9】本発明の第２の実施形態の人工光合成アレイを構成する人工光合成モジュールを示す模式的側面図である。

【図10】本発明の第２の実施形態の人工光合成アレイを構成する人工光合成モジュールの構成を詳細に示す模式的断面図である。

【図11】（ａ）は、人工光合成モジュールの水素ガス生成部および酸素ガス生成部の傾斜構造の一例を示す模式図であり、（ｂ）は、人工光合成モジュールの酸素ガス生成部の傾斜構造の他の例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の人工光合成アレイを詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態の人工光合成アレイを示す模式的平面図であり、図２は図１に示す第１の実施形態の人工光合成アレイの側面図である。なお、図２は、図１に示す人工光合成アレイ１０をＡ_１方向から見た側面図である。

【0014】

図１に示すように、人工光合成アレイ１０は、複数の人工光合成モジュール１２を有し、これらが連なっている。
人工光合成モジュール１２は、光を受光して、供給される電解質水溶液ＡＱを分解して水素ガスと酸素ガスを得るものであり、容器１３と、後述する光電変換ユニット３０、水素ガス生成部３２および酸素ガス生成部３４とを有する。人工光合成モジュール１２では、容器１３内に供給された電解質水溶液ＡＱを収容し、かつ水素ガスが生成され、生成された水素ガスを収容する水素用電解室１４と、容器１３内に供給された電解質水溶液ＡＱを収容し、かつ酸素ガスが生成され、生成された酸素ガスを収容する酸素用電解室１６とが形成される。人工光合成モジュール１２は、容器１３内に水素用電解室１４と酸素用電解室１６とが並んで配置されており、水素用電解室１４と酸素用電解室１６との間には隔壁１７が設けられている。

【0015】

容器１３は、人工光合成モジュール１２の外殻を構成するものであり、内部に水素用電解室１４と酸素用電解室１６とが設けられる。容器１３は、電解質水溶液ＡＱを収容し、生成される水素ガスおよび酸素ガスを収容するものである。
なお、容器１３は、光電変換ユニット３０に光を照射させるために、透光性を有する必要がある。透光性の規定については、光電変換ユニット３０が光を受光して、電解質水溶液ＡＱを分解して水素ガスおよび酸素ガスを得るに必要な起電力を発生することができれば、特に限定されるものではない。

【0016】

人工光合成アレイ１０において、人工光合成モジュール１２は、水素用電解室１４と酸素用電解室１６とが並ぶ方向Ｍと直交する方向Ｄに複数接続されて列をなしている。以下、図１の方向Ｄにおいて、紙面上側を上流側といい、紙面下側を下流側という。なお、図２では、方向Ｄにおいて、紙面右側を上流側といい、紙面左側を下流側という。また、列をなす人工光合成モジュール１２のことを、人工光合成モジュール列Ｔという。
方向Ｄにおいて、隣接する人工光合成モジュール１２同士では、方向Ｍでの水素用電解室１４と酸素用電解室１６の位置が逆に配置されている。これにより、方向Ｄで、水素用電解室１４の下流側に酸素用電解室１６に配置され、酸素用電解室１６の下流側に水素用電解室１４が配置される。

【0017】

人工光合成モジュール列Ｔにおいて、最上流側の人工光合成モジュール１２の水素用電解室１４側の列をＴ_１とし、最上流側の人工光合成モジュール１２の酸素用電解室１６側の列をＴ_２とする。各列Ｔ_１、列Ｔ_２毎に、水素用電解室１４および酸素用電解室１６に電解質水溶液ＡＱを供給するための配管１８が設けられている。

【0018】

列Ｔ_１においては、最上流側の水素用電解室１４の注入口１４ａに配管１８が接続され、水素用電解室１４の排出口１４ｂと、その下流側の酸素用電解室１６の注入口１６ａとが配管１８で接続されている。酸素用電解室１６の排出口１６ｂと、その下流側の水素用電解室１４の注入口１４ａとが配管１８で接続されており、水素用電解室１４の排出口１４ｂと、その下流側の酸素用電解室１６の注入口１６ａとが配管１８で接続されている。最下流の酸素用電解室１６の排出口１６ｂに配管１８が接続されている。
列Ｔ_２では、列Ｔ_１に比して、水素用電解室１４と酸素用電解室１６との順序が逆である点、および最下流の水素用電解室１４の排出口１４ｂに配管１８が接続されている点、以外は列Ｔ_１の構成と同様であるため、その詳細な説明は省略する。

【0019】

人工光合成モジュール列Ｔにおいて、列Ｔ_１側では各水素用電解室１４に水素を導出するための水素ガス配管２０が接続され、各酸素用電解室１６に酸素を導出するための酸素ガス配管２２が接続されている。
人工光合成モジュール列Ｔにおいて、列Ｔ_２側では各水素用電解室１４に水素ガスを導出するための水素ガス配管２０が接続され、各酸素用電解室１６に酸素ガスを導出するための酸素ガス配管２２が接続されている。
なお、配管１８、水素ガス配管２０および酸素ガス配管２２は、実際、容器１３に接続されて水素用電解室１４および酸素用電解室１６と接続される。

【0020】

図２に示すように、人工光合成モジュール列Ｔは、平面Ｈに対して所定の角度θ傾斜させて配置されている。このため、配管１８を介して供給される電解質水溶液ＡＱは、自然に上流側から下流側に流れ、各人工光合成モジュール１２の水素用電解室１４および酸素用電解室１６に供給される。電解質水溶液ＡＱを供給するために、電解質水溶液ＡＱが貯留されるタンク（図示せず）、タンクから電解質水溶液ＡＱを配管１８に送給するためのポンプ（図示せず）等を有する。これにより、電解質水溶液ＡＱを所定の流量で、各人工光合成モジュール１２の水素用電解室１４と酸素用電解室１６に供給することができる。
また、人工光合成アレイ１０では、図２に示すように、人工光合成モジュール１２に水素ガス配管２０および酸素ガス配管２２側から光Ｌが照射される。
ここで、電解質水溶液ＡＱとは、例えば、Ｈ_２Ｏ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。水の場合、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、冷却塔等で用いられる冷却水であってもよい。電解液の場合、例えば、電解質を含む水溶液であり、例えば、強アルカリ（ＫＯＨ）、ポリマー電解質（ナフィオン（登録商標））、０．１Ｍ硫酸ナトリウム電解液、０．１ＭのＨ_２ＳＯ_４を含む電解液、０．１Ｍリン酸水素二ナトリウム電解液、０．１Ｍリン酸カリウム緩衝液等である。

【0021】

次に、人工光合成モジュール１２について詳細に説明する。図３は、本発明の第１の実施形態の人工光合成アレイを構成する人工光合成モジュールを示す模式的平面である。図４は、本発明の第１の実施形態の人工光合成アレイを構成する人工光合成モジュールを示す模式的側面図であり、図５は、本発明の第１の実施形態の人工光合成アレイを構成する人工光合成モジュールの構成を詳細に示す模式的断面図である。図４は、図３のＡ_２方向から見た模式的側面図であり、図５は、図３のＢ−Ｂ線による断面図である。

【0022】

図４に示すように、人工光合成モジュール１２は、上述のように水素用電解室１４と酸素用電解室１６とが隔壁１７により分離されている。
隔壁１７は、水素用電解室１４で生成された水素ガスと、酸素用電解室１６で生成された酸素ガスとが混合されないように隔離するためのものである。このため、隔壁１７は、上述の隔離機能を有するものであれば、その構成は、特に限定されるものではない。
なお、本発明では、後述するように人工光合成モジュール１２の配置を変えることにより、水素用電解室１４および酸素用電解室１６のイオン濃度またはｐＨ値を一定にすることができる。このため、隔壁１７にはイオン濃度またはｐＨ値を一定にする機能がなくてもよく、隔壁１７として、イオン透過性およびガス非透過性を有するものである必要はない。

【0023】

図３〜５に示すように、人工光合成モジュール１２は、平面状の絶縁性基板４０上に、光電変換ユニット３０を挟んで水素ガス生成部３２と酸素ガス生成部３４とが設けられた集積構造体である。光電変換ユニット３０と水素ガス生成部３２と酸素ガス生成部３４とは絶縁性基板４０上、すなわち、同一平面上に設けられている。光電変換ユニット３０と水素ガス生成部３２と酸素ガス生成部３４とは電気的に接続されている。

【0024】

光電変換ユニット３０は、光を受光して電力を発生させ水素ガス生成部３２で水素ガスを発生させるための電力および酸素ガス生成部３４で酸素ガスを発生させるための電力を供給するためのものである。
水素ガス生成部３２は水素用電解室１４内１４ｃに配置され、酸素ガス生成部３４は酸素用電解室１６内１６ｃに配置されている。

【0025】

人工光合成モジュール１２は、例えば、絶縁性基板４０上に、方向Ｍで直列接続された３つのｐｎ接合セル３６ａ〜３６ｃが形成されている。
ｐｎ接合セル３６ａ〜３６ｃのうち、２つのｐｎ接合セル３６ａ、３６ｂが光電変換素子として機能するものであり、光電変換ユニット３０を構成する。残りのｐｎ接合セル３６ｃが水素ガス生成部３２を構成する。

【0026】

絶縁性基板４０は、絶縁性を有し、かつ光電変換ユニット３０と水素ガス生成部３２と酸素ガス生成部３４とを支持することができる強度を有していれば、特に限定されるものではない。絶縁性基板４０としては、例えば、ソーダライムガラス（ＳＬＧ）基板またはセラミックス基板を用いることができる。また、絶縁性基板４０には、金属基板上に絶縁層が形成されたものを用いることができる。ここで、金属基板としては、Ａｌ基板またはＳＵＳ基板等の金属基板、またはＡｌと、例えば、ＳＵＳ等の他の金属との複合材料からなる複合Ａｌ基板等の複合金属基板が利用可能である。なお、複合金属基板も金属基板の一種であり、金属基板および複合金属基板をまとめて、単に金属基板ともいう。更には、絶縁性基板４０としては、Ａｌ基板等の表面を陽極酸化して形成された絶縁層を有する絶縁膜付金属基板を用いることもできる。絶縁性基板４０は、フレキシブルなものであっても、そうでなくてもよい。なお、上述のもの以外に、絶縁性基板４０として、例えば、高歪点ガラスおよび無アルカリガラス等のガラス板、またはポリイミド材を用いることもできる。

【0027】

絶縁性基板４０の厚さは、光電変換ユニット３０と水素ガス生成部３２と酸素ガス生成部３４を支持することができれば、特に制限的ではなく、どのような厚さでもよいが、例えば、２０〜２００００μｍ程度あればよく、１００〜１００００μｍが好ましく、１０００〜５０００μｍがより好ましい。
なお、ｐｎ接合セル３６ａ〜３６ｃの光電変換層４４に、ＣＩＧＳ系化合物半導体を含むものを用いる場合には、絶縁性基板４０側に、アルカリイオン（（例えば、ナトリウム（Ｎａ）イオン：Ｎａ^＋）を供給するものがあると、ｐｎ接合セル３６ａ、３６ｂの光電変換効率が向上するので、絶縁性基板４０の上面にアルカリイオンを供給するアルカリ供給層を設けておくのが好ましい。なお、例えば、ＳＬＧ基板の場合には、アルカリ供給層は不要である。

【0028】

ｐｎ接合セル３６ａ、３６ｂは、絶縁性基板４０側から順に、裏面電極４２、光電変換層４４、バッファ層４６、透明電極４８および保護膜５０が積層されて構成されており、太陽電池に用いられる光電変換素子と同様の構成を有する。
ｐｎ接合セル３６ｃは、絶縁性基板４０側から順に、裏面電極４２、光電変換層４４およびバッファ層４６が積層されて構成されている。
ｐｎ接合セル３６ａ〜３６ｃでは、光電変換層４４とバッファ層４６の界面においてｐｎ接合が形成されている。なお、光電変換層４４とバッファ層４６でｐｎ接合を有する無機半導体膜４７を構成する。

【0029】

光電変換ユニット３０は、２つのｐｎ接合セル３６ａ、３６ｂが方向Ｍに直列に接続されているが、水素ガスおよび酸素ガスを発生させることができる起電力を得ることができれば、その数は限定されるものではなく、１つでも、３以上であってもよい。複数のｐｎ接合セルを直列に接続する方が、高い電圧を得ることができるため、複数のｐｎ接合セルを直列接続することが好ましい。
ｐｎ接合セル３６ａ、３６ｂ間に、バッファ層４６および光電変換層４４を貫き裏面電極４２の表面に達する開口溝Ｐ２が方向Ｍにおいて、分離溝Ｐ１の形成位置とは異なる位置に形成されている。開口溝Ｐ２に隔壁１７が設けられている。

【0030】

人工光合成モジュール１２では、ｐｎ接合セル３６ａ、３６ｂに保護膜５０側から光が入射されると、この光が、保護膜５０、各透明電極４８および各バッファ層４６を通過し、各光電変換層４４で起電力が発生し、例えば、透明電極４８から裏面電極４２に向かう電流（正孔の移動）が発生する。このため、人工光合成モジュール１２では、水素ガス生成部３２が負極（電気分解のカソード）となり、酸素ガス生成部３４が正極（電気分解のアノード）になる。
なお、人工光合成モジュール１２における生成ガスの種類（極性）は、ｐｎ接合セルの構成および人工光合成モジュール１２構成等に応じて適宜変わるものである。

【0031】

保護膜５０は、弱酸性溶液および弱アルカリ性溶液に不溶であり、かつ光透過性、遮水性および絶縁性を兼ね備えるものである。
保護膜５０は、透光性を有し、ｐｎ接合セル３６ａ、３６ｂを保護するため、具体的には、水素用電解室１４内１４ｃの水素ガス発生領域以外の部分、酸素用電解室１６内１６ｃの酸素ガス発生領域以外の部分を覆うように設けられるものである。具体的には、保護膜５０は、透明電極４８の全面およびｐｎ接合セル３６ａの側面３７を覆うものである。
保護膜５０は、例えば、ＳｉＯ_２、ＳｎＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３およびＧａ_２Ｏ_３等により構成される。また、保護膜５０の厚さは、特に限定されるものではなく、１００〜１０００ｎｍであることが好ましい。
なお、保護膜５０の形成方法は、特に限定されるものではなく、ＲＦスパッタ法、ＤＣリアクティブスパッタ法およびＭＯＣＶＤ法等により形成することができる。
また、保護膜５０は、例えば、絶縁性エポキシ樹脂、絶縁性シリコーン樹脂、絶縁性フッ素樹脂等により構成できる。この場合、保護膜５０の厚さは、特に限定されるものではなく、２〜１０００μｍが好ましい。

【0032】

水素ガス生成部３２は、ｐｎ接合セル３６ｃのバッファ層４６の表面４６ａに機能層５２が形成されている。機能層５２の表面５２ａには、水素生成を促進するための助触媒５４が、点在するように、島状に形成されている。
機能層５２は、水素ガス生成部３２を構成するものであり、透明導電性保護膜が用いられる。また、機能層５２は、弱酸性溶液および弱アルカリ性溶液に不溶であり、かつ光透過性、遮水性および導電性を兼ね備えるものである。
なお、水素ガス生成部３２で、水素用電解室１４内１４ｃに露出しているｐｎ接合セル３６ａの側面３７および機能層５２の側面は、電解質水溶液ＡＱと接触して短絡することを防ぐために保護膜５０で覆われていることが好ましい。

【0033】

機能層５２は、水分子からイオン化した水素イオン（プロトン）Ｈ^＋に電子を供給して水素分子、すなわち、水素ガスを発生させる（２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ―＞Ｈ_２）ものであり、その表面５２ａは、水素ガス生成面として機能する。したがって、機能層５２は、水素ガス生成部３２として機能し、その領域は水素ガスの発生領域を構成する。
機能層５２は、例えば、金属または導電性酸化物（過電圧が０．５Ｖ以下）もしくはその複合物であることが好ましい。より具体的には、機能層５２は、ＩＴＯ、Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、およびＩｎ等がドープされたＺｎＯ、またはＩＭＯ（Ｍｏが添加されたＩｎ_２Ｏ_３）等の透明電極４８と同様な透明導電膜を用いることができる。機能層５２も、透明電極４８と同様に、単層構造でもよいし、２層構造等の積層構造でもよい。また、機能層５２の厚さは、特に限定されるものではなく、好ましくは、１０〜１０００ｎｍであり、５０〜５００ｎｍがより好ましい。
なお、機能層５２の形成方法は、透明電極４８と同様に、特に限定されるものではなく、電子ビーム蒸着法、スパッタ法およびＣＶＤ法等の気相成膜法または塗布法により形成することができる。

【0034】

助触媒５４は、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｍｎ等により構成される単体、およびそれらを組み合わせた合金、ならびにその酸化物、例えば、ＮｉＯｘおよびＲｕＯ_２が挙げられる。また、助触媒５４のサイズは、特に限定されるものではなく、０．５ｎｍ〜１μｍであることが好ましい。
なお、助触媒５４の形成方法は、特に限定されるものではなく、塗布焼成法、光電着法、スパッタ法、含浸法等により形成することができる。

【0035】

機能層５２の表面５２ａに助触媒５４を設けることが好ましいが、十分な水素ガスの生成が可能である場合には、設けなくてもよい。
また、バッファ層４６の表面４６ａに形成された機能層５２の表面５２ａに、助触媒５４が点在するように形成されているが、本発明は、これに限定されず、機能層５２を設けることなく、バッファ層４６の表面４６ａに直接、助触媒５４を点在するように島状に形成してもよい。
この場合には、バッファ層４６が、ｎ型半導体として機能すると共に、水素生成用電極として機能し、その表面４６ａが水素ガス生成面として機能する。したがって、バッファ層４６は、水素ガス生成部３２として機能し、その領域は、水素ガスの発生領域を構成する。

【0036】

酸素ガス生成部３４は、右端のｐｎ接合セル３６ａの裏面電極４２の延長部分の領域４３で構成され、この領域４３が、酸素ガスの発生領域となる。
具体的には、ｐｎ接合セル３６ａの裏面電極４２の延長部分の領域４３は、水分子からイオン化した水酸イオンＯＨ⁻から電子を取り出して酸素分子、すなわち、酸素ガスを発生させる（２ＯＨ⁻ ―＞Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２／２＋２ｅ⁻）酸素ガス生成部３４であり、表面４３ａはガス生成面として機能する。
裏面電極４２の領域４３の表面４３ａには、酸素生成用の助触媒５６が、点在するように、島状に形成されている。
酸素生成用の助触媒５６は、例えば、ＩｒＯ_２、ＣｏＯ_ｘ等により構成される。また、酸素生成用の助触媒５６のサイズは、特に限定されるものではなく、０．５ｎｍ〜１μｍであることが好ましい。
なお、酸素生成用の助触媒５６の形成方法は、特に限定されるものではなく、塗布焼成法、浸漬法、含浸法、スパッタ法および蒸着法等により形成することができる。

【0037】

以下、光電変換ユニット３０を構成する各部について説明する。
裏面電極４２は、例えば、Ｍｏ、ＣｒおよびＷ等の金属、またはこれらを組み合わせたものにより構成される。この裏面電極４２は、単層構造でもよいし、２層構造等の積層構造でもよい。この中で、裏面電極４２は、Ｍｏで構成することが好ましい。裏面電極４２の膜厚は、一般的に、その厚さが８００ｎｍ程度であるが、裏面電極４２は厚さが４００ｎｍ〜１μｍであることが好ましい。

【0038】

上述のように、ｐｎ接合セル３６ａ、３６ｂは光電変換素子として機能するものであり、光電変換層４４とバッファ層４６を有する。
光電変換層４４は、バッファ層４６との界面で、光電変換層４４側をｐ型、バッファ層４６側をｎ型とするｐｎ接合を形成し、保護膜５０、透明電極４８およびバッファ層４６を透過して到達した光を吸収して、ｐ側に正孔を、ｎ側に電子を生じさせる層である。光電変換層４４は、光電変換機能を有する。光電変換層４４では、ｐｎ接合で生じた正孔を光電変換層４４から裏面電極４２側に移動させ、ｐｎ接合で生じた電子をバッファ層４６から透明電極４８側に移動させる。光電変換層４４の膜厚は、好ましくは０．５〜３．０μｍであり、１．０〜２．０μｍが特に好ましい。

【0039】

光電変換層４４は、例えば、カルコパイライト結晶構造を有するＣＩＧＳ系化合物半導体またはＣＺＴＳ系化合物半導体で構成されるのが好ましい。すなわち、光電変換層４４はＣＩＧＳ系化合物半導体層で構成することが好ましい。ＣＩＧＳ系化合物半導体層は、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２（ＣＩＧＳ）のみならず、ＣｕＩｎＳｅ_２（ＣＩＳ）、ＣｕＧａＳｅ_２（ＣＧＳ）等のＣＩＧＳ系に利用される公知のもので構成されていてもよい。
なお、ＣＩＧＳ層の形成方法としては、１）多源蒸着法、２）セレン化法、３）スパッタ法、４）ハイブリッドスパッタ法、および５）メカノケミカルプロセス法等が知られている。
その他のＣＩＧＳ層の形成方法としては、スクリーン印刷法、近接昇華法、ＭＯＣＶＤ法、およびスプレー法（ウェット成膜法）等が挙げられる。例えば、スクリーン印刷法（ウェット成膜法）またはスプレー法（ウェット成膜法）等で、Iｂ族元素、IIIｂ族元素、およびVIｂ族元素を含む微粒子膜を基板上に形成し、熱分解処理（この際、VIｂ族元素雰囲気での熱分解処理でもよい）を実施する等により、所望の組成の結晶を得ることができる（特開平９−７４０６５号公報、特開平９−７４２１３号公報等）。

【0040】

本発明においては、上述したように、光電変換層４４は、例えば、カルコパイライト結晶構造を有するＣＩＧＳ系化合物半導体やＣＺＴＳ系化合物半導体で構成されるのが好ましいが、これに限定されず、無機半導体からなるｐｎ接合を形成でき、水の光分解反応を生じさせ、水素ガスおよび酸素ガスを発生できれば、如何なる光電変換素子でもよい。例えば、太陽電池を構成する太陽電池セルに用いられる光電変換素子が好ましく用いられる。このような光電変換素子としては、ＣＩＧＳ系薄膜型光電変換素子、ＣＩＳ系薄膜型光電変換素子や、ＣＺＴＳ系薄膜型光電変換素子に加え、薄膜シリコン系薄膜型光電変換素子、ＣｄＴｅ系薄膜型光電変換素子、色素増感系薄膜型光電変換素子、または有機系薄膜型光電変換素子を挙げることができる。
なお、光電変換層４４を形成する無機半導体の吸収波長は、光電変換可能な波長域であれば、特に限定されるものではない。吸収波長としては、太陽光等の波長域、特に、可視波長域から赤外波長域を含んでいればよいが、その吸収波長端は８００ｎｍ以上、すなわち、赤外波長域までを含んでいることが好ましい。その理由は、できるだけ多くの太陽光エネルギーを利用できるからである。一方、吸収波長端が長波長化することは、すなわち、バンドギャップが小さくなることに相当し、これは水分解をアシストするための起電力が低下することが予想でき、その結果、水分解のために直列接続する接続数が増すことが予想できるので、吸収端が長ければ長い方がよいというわけでもない。

【0041】

バッファ層４６は、光電変換層４４と共にｐｎ接合を有する無機半導体膜４７を構成する。すなわち、光電変換層４４との界面でｐｎ接合を形成する。また、バッファ層４６は、透明電極４８の形成時の光電変換層４４を保護し、透明電極４８に入射した光を光電変換層４４まで透過させるために形成されたものである。
バッファ層４６は、例えば、具体的には、ＣｄＳ、ＺｎＳ，Ｚｎ（Ｓ，Ｏ）、および／またはＺｎ（Ｓ，Ｏ，ＯＨ）、ＳｎＳ，Ｓｎ（Ｓ，Ｏ）、および／またはＳｎ（Ｓ，Ｏ，ＯＨ）、ＩｎＳ，Ｉｎ（Ｓ，Ｏ）、および／またはＩｎ（Ｓ，Ｏ，ＯＨ）等の、Ｃｄ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｉｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属元素を含む金属硫化物を含むことが好ましい。バッファ層４６の膜厚は、１０ｎｍ〜２μｍが好ましく、１５〜２００ｎｍがより好ましい。バッファ層４６の形成には、例えば、化学浴析出法（以下、ＣＢＤ法という）により形成される。
なお、バッファ層４６と透明電極４８との間には、例えば、窓層を設けてもよい。この窓層は、例えば、厚さ１０ｎｍ程度のＺｎＯ層で構成される。

【0042】

透明電極４８は、透光性を有し、光を光電変換層４４に取り込むと共に、裏面電極４２と対になって、光電変換層４４で生成された正孔および電子を移動させる（電流が流れる）電極として機能すると共に、２つのｐｎ接合セル３６ａ、３６ｂを直列接続するための透明導電膜として機能するものである。
透明電極４８は、例えばＡｌ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ等がドープされたＺｎＯ、またはＩＴＯにより構成される。透明電極４８は、単層構造でもよいし、２層構造等の積層構造でもよい。また、透明電極の厚さは、特に限定されるものではなく、０．３〜１μｍが好ましい。
なお、透明電極の形成方法は、特に限定されるものではなく、電子ビーム蒸着法、スパッタ法およびＣＶＤ法等の気相成膜法または塗布法により形成することができる。

【0043】

なお、隣接するｐｎ接合セル３６ａ、３６ｂを直列接続するための透明導電膜としては、透明電極４８に限定されるわけではないが、製造上の容易さから透明電極４８と同じ透明導電膜で同時に形成することがよい。
すなわち、光電変換層４４上に、バッファ層４６を積層した後、裏面電極４２の表面に達する開口溝Ｐ２をレーザースクライブまたはメカニカルスクライブにより形成し、バッファ層４６上に、かつ開口溝Ｐ２を埋めるように透明電極４８を構成する透明導電膜を形成し、その後、各開口溝Ｐ２内の透明導電膜の図中右側部分をスクライブにより除去して裏面電極４２の表面に達する、少し小さい開口溝Ｐ２を再度形成し、隣接するｐｎ接合セル３６ａ、３６ｂの裏面電極４２と透明電極４８とを直接接続する導電膜として残すことにより、隣接するｐｎ接合セル３６ａ、３６ｂを直列接続するための導電膜を形成することができる。

【0044】

次に、人工光合成モジュール１２の製造方法について説明する。
なお、人工光合成モジュール１２の製造方法は、以下に示す製造方法に限定されるものではない。
まず、例えば、絶縁性基板４０となるソーダライムガラス基板を用意する。
次に、絶縁性基板４０の表面に裏面電極４２となる、例えば、Ｍｏ膜等を成膜装置を用いて、スパッタ法により形成する。
次に、例えば、レーザースクライブ法を用いて、Ｍｏ膜の所定位置をスクライブして、絶縁性基板４０の幅方向に伸びた分離溝Ｐ１を形成する。これにより、分離溝Ｐ１により互いに分離された裏面電極４２が形成される。

【0045】

次に、裏面電極４２を覆い、かつ分離溝Ｐ１を埋めるように、光電変換層４４として、例えば、ＣＩＧＳ膜（ｐ型半導体層）を形成する。このＣＩＧＳ膜は、前述のいずれか成膜方法により、形成される。
次に、光電変換層４４上にバッファ層４６となる、例えば、ＣｄＳ層（ｎ型半導体層）をＣＢＤ法により形成する。
次に、方向Ｍにおいて、分離溝Ｐ１の形成位置とは異なる位置に、絶縁性基板４０の幅方向に伸び、かつバッファ層４６から光電変換層４４を経て裏面電極４２の表面４２ａに達する２つの開口溝Ｐ２を形成する。この場合、スクライブ方法としては、レーザースクライブ法またはメカスクライブ法を用いることができる。

【0046】

次に、絶縁性基板４０の幅方向に伸び、かつバッファ層４６上に、開口溝Ｐ２を埋めるように、透明電極４８となる、例えば、Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、Ｓｂ等が添加されたＺｎＯ：Ａｌ層を、スパッタ法または塗布法により形成する。
次に、開口溝Ｐ２内のＺｎＯ：Ａｌ層の一部を、図中右側の一部を残すようにして除去し、裏面電極４２の表面に達する２つの少し幅の狭い開口溝Ｐ２を再び形成する。この場合も、スクライブ方法としては、レーザースクライブ法またはメカスクライブ法を用いることができる。このようにして、３つのｐｎ接合セル３６ａ〜３６ｃが形成される。

【0047】

次に、光電変換ユニット３０を構成するｐｎ接合セル３６ａ、３６ｂの外面と、２つの開口溝Ｐ２の底面の裏面電極４２の表面と、ｐｎ接合セル３６ｃの側面３７に保護膜５０となる、例えば、ＳｉＯ_２膜をＲＦスパッタ法で形成する。
次に、ｐｎ接合セル３６ａとｐｎ接合セル３６ｂとの間で、開口溝Ｐ２に相当する位置に再度、溝を形成し、この溝に隔壁１７を設ける。
次に、ｐｎ接合セル３６ｃのＺｎＯ：Ａｌ層を、レーザースクライブ法またはメカスクライブ法を用いて剥離し、露出したバッファ層４６の表面４６ａに、機能層５２として、例えば、Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、Ｓｂ等が添加されたＺｎＯ：Ａｌ層を、パターニングマスクを用いたスパッタ法、または塗布法により形成する。
次に、機能層５２上に、例えば、光電着法にて水素生成用の助触媒５４となる、例えば、Ｐｔ助触媒を担持させる。

【0048】

次に、ｐｎ接合セル３６ａの裏面電極４２の延長部分の領域４３上の堆積物を、レーザースクライブ法またはメカスクライブ法を用いて取り除き、領域４３を露出させる。
そして、領域４３の表面４３ａに、例えば、浸漬法にて酸素生成用の助触媒５６となる、例えば、ＣｏＯ_ｘ助触媒を担持させる。
絶縁性基板４０と略同じ大きさの容器１３を用意し、この容器１３内に、光電変換ユニット３０、水素ガス生成部３２および酸素ガス生成部３４が形成された絶縁性基板４０を収納する。これにより、隔壁１７で水素用電解室１４および酸素用電解室１６が形成される。
このようにして、人工光合成モジュール１２を製造することができる。

【0049】

なお、人工光合成モジュール１２は、上述の例とは、水素ガス生成部３２と酸素ガス生成部３４の配置が、逆のものがあるが、これは、人工光合成モジュール１２の向きを変えて配置することにより、実現することができるため、製造方法が変わるものではない。
人工光合成モジュール１２を、所定数配置し所定の角度θ傾け、容器１３に配管１８、水素ガス配管２０および酸素ガス配管２２を接続することにより、人工光合成アレイ１０を製造することができる。

【0050】

本実施形態の人工光合成アレイ１０では、各人工光合成モジュール１２に、光Ｌ（図２参照）を照射し、例えば、水素ガス生成部３２の水素生成用の助触媒５４が形成された面（機能層５２の表面５２ａ）と、酸素ガス生成部３４の酸素生成用の助触媒５６が形成された面（領域４３の表面４３ａ）とに対して平行になるように電解質水溶液ＡＱを供給する。
光Ｌ（図２参照）の照射により、光電変換ユニット３０で起電力が生じ、光電変換ユニット３０の電力により、各水素用電解室１４で電解質水溶液ＡＱが分解されて水素ガスが発生し、水素ガス配管２０を介して上流側に移動し、回収される。各酸素用電解室１６では電解質水溶液ＡＱが分解されて酸素ガスが発生し、酸素ガス配管２２を介して上流側に移動し、回収される。このとき、人工光合成モジュール列Ｔは、所定の角度θ傾斜しているため、電解質水溶液ＡＱは下流側の人工光合成モジュール１２に流れる。また、角度θ傾斜していることにより、水素ガスおよび酸素ガスは上流側に移動しやすい。

【0051】

本実施形態の人工光合成アレイ１０は、複数の人工光合成モジュール１２を用いて、上流側から水素用電解室１４、酸素用電解室１６の順、または酸素用電解室１６、水素用電解室１４の順で、水素用電解室１４と酸素用電解室１６とを交互に接続している。このように接続することで、水から水素ガス、酸素ガスの順、または水から酸素ガス、水素ガスの順でガスが生成される。これにより、水中のイオン濃度またはｐＨ値に差異の発生を抑制でき、水分解能の低下も抑制することができる。このようにして、人工光合成アレイ１０の系全体で、水中のイオン濃度またはｐＨ値を一定に保つことができる。しかも、隔壁としてイオン交換膜を設ける必要もない。
また、人工光合成アレイ１０は、角度θ傾斜しているため、各水素ガス生成部３２で発生した水素ガスが、水素用電解室１４内１４ｃの上方に上がり、水素ガス配管２０を介して、上流側の人工光合成モジュール１２側に移動し、水素ガスを容易に回収することができる。同様に、各酸素ガス生成部３４で発生した酸素ガスが、酸素用電解室１６内１６ｃの上方に上がり、酸素ガス配管２２を介して、上流側の人工光合成モジュール１２側に移動し、酸素ガスを容易に回収することができる。

【0052】

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態の人工光合成アレイを示す模式的平面図であり、図７は、図６に示す第２の実施形態の人工光合成アレイの側面図である。なお、図７は、図６に示す人工光合成アレイ１０ａをＡ_３方向から見た側面図である。

【0053】

本実施形態の人工光合成アレイ１０ａは、図１および図２に示す人工光合成アレイ１０と同一構成物には、同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、人工光合成アレイ１０ａは人工光合成モジュール６０を有し、この人工光合成モジュール６０において、図３〜図５に示す人工光合成モジュール１２と同一構成物には、同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

【0054】

図１に示す人工光合成アレイ１０ａは、図１および図２に示す人工光合成アレイ１０と比して、人工光合成モジュール６０の構成および人工光合成モジュール６０の配置形態が異なる点、ならびに配管１８、水素ガス配管２０および酸素ガス配管２２の接続形態が異なる点以外は、図１および図２に示す人工光合成アレイ１０と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
以下、図６の方向Ｄにおいて、紙面上側を上流側といい、紙面下側を下流側という。なお、図７では、方向Ｄにおいて、紙面右側を上流側といい、紙面左側を下流側という。

【0055】

図６、図７に示す人工光合成アレイ１０ａにおいて、水素用電解室１４と酸素用電解室１６とが方向Ｊで積層されて隔離された構成の人工光合成モジュール６０が用いられる。人工光合成アレイ１０ａでは、人工光合成モジュール６０が１列に配置されて、人工光合成モジュール列Ｔをなす。図７に示すように、人工光合成モジュール６０は、水素用電解室１４を平面Ｈと反対に向け、かつ人工光合成モジュール列Ｔを、平面Ｈに対して所定の角度θ傾斜させて配置されている。

【0056】

人工光合成モジュール列Ｔにおいて、図６、図７に示すように、最上流側の人工光合成モジュール６０の水素用電解室１４の注入口１４ａに配管１８が接続され、水素用電解室１４の排出口１４ｂと、その下流側の酸素用電解室１６の注入口１６ａとが配管１８で接続されている。酸素用電解室１６の排出口１６ｂと、その下流側の水素用電解室１４の注入口１４ａとが配管１８で接続されており、水素用電解室１４の排出口１４ｂと、その下流側の酸素用電解室１６の注入口１６ａとが配管１８で接続されている。最下流の酸素用電解室１６の排出口１６ｂに配管１８が接続されている。

【0057】

また、図６、図７に示すように、最上流側の人工光合成モジュール６０の酸素用電解室１６の注入口１６ａに配管１８が接続され、酸素用電解室１６の排出口１６ｂと、その下流側の水素用電解室１４の注入口１４ａとが配管１８で接続されている。水素用電解室１４の排出口１４ｂと、その下流側の酸素用電解室１６の注入口１６ａとが配管１８で接続されている。酸素用電解室１６の排出口１６ｂと、その下流側の水素用電解室１４の注入口１４ａとが配管１８で接続されている。最下流の水素用電解室１４の排出口１４ｂに配管１８が接続されている。
本実施形態では、図７に示すように側面から見た場合、配管１８が交差するように接続されている。
また、人工光合成アレイ１０ａでは、図７に示すように、人工光合成モジュール６０に水素用電解室１４側から光Ｌが照射される。

【0058】

図８は、本発明の第２の実施形態の人工光合成アレイを構成する人工光合成モジュールを示す模式的平面であり、図９は、本発明の第２の実施形態の人工光合成アレイを構成する人工光合成モジュールを示す模式的側面図であり、図１０は、本発明の第２の実施形態の人工光合成アレイを構成する人工光合成モジュールの構成を詳細に示す模式的断面図である。図９は、図８のＡ_４方向から見た模式的側面図であり、図１０は、図８のＣ−Ｃ線による断面図である。

【0059】

図８〜１０に示す人工光合成モジュール６０は、図３〜５に示す人工光合成モジュール１２に比して、隔壁１７が設けられていない点、光電変換ユニット３０、水素ガス生成部３２および酸素ガス生成部３４の配置位置が異なり互いに逆の面に設けられている点、および酸素ガス生成部３４の構成が異なる点以外の構成は、図３〜５に示す人工光合成モジュール１２と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
人工光合成モジュール６０では、酸素ガス生成部３４は、裏面電極４２の延長部分の領域４３ではなく、ｐｎ接合セル３６ａの光電変換層４４の裏面４４ｂに導電膜６２が設けられており、この導電膜６２の表面６２ａに、酸素生成用の助触媒５６が、点在するように、島状に形成されている。水素ガス生成部３２と酸素ガス生成部３４とは、同一平面上ではなく絶縁性基板４０に対して逆の面に設けられている。
導電膜６２は、導電性を有するものであれば、特に限定されるものではなく、裏面電極４２と同じ材料を用いることができる。

【0060】

次に、人工光合成モジュール６０の製造方法について説明する。なお、人工光合成モジュール６０の製造方法は、以下に示す製造方法に限定されるものではない。
また、人工光合成モジュール６０の製造方法においては、第１の実施形態の人工光合成モジュール１２の製造方法と同様の工程については、その詳細な説明は省略する。
人工光合成モジュール６０の製造方法では、まず、例えば、絶縁性基板４０となるソーダライムガラス基板を用意し、その後、隔壁１７を設ける工程以外、保護膜５０を形成し、光電変換ユニット３０を形成する工程、機能層５２を形成し、この機能層５２上に水素生成用の助触媒５４を形成する工程までは、人工光合成モジュール１２の製造方法と同様の工程であるため、その詳細な説明は省略する。

【0061】

その後、ｐｎ接合セル３６ａの光電変換層４４に相当する位置にある絶縁性基板４０および裏面電極４２を取り除き、光電変換層４４の裏面４４ｂを露出させる。
その後、例えば、パターニングマスクを用いたスパッタ法により、導電膜６２を光電変換層４４の裏面４４ｂ上に形成する。
その後、導電膜６２の表面６２ａに、例えば、浸漬法にて酸素生成用の助触媒５６となる、例えば、ＣｏＯ_ｘ助触媒を担持させる。

【0062】

そして、絶縁性基板４０と略同じ大きさの容器１３を用意し、この容器１３内に、光電変換ユニット３０、水素ガス生成部３２および酸素ガス生成部３４が形成された絶縁性基板４０を収納する。これにより、絶縁性基板４０で、方向Ｊに隔離された水素用電解室１４および酸素用電解室１６が形成される。このようにして、人工光合成モジュール６０を製造することができる。
なお、容器１３は、光電変換ユニット３０に光を照射させるために、透光性を有する必要がある。なお、透光性の規定については、光電変換ユニット３０が光を受光して電解質水溶液ＡＱを分解して水素ガスおよび酸素ガスを得ることができれば、特に限定されるものではない。

【0063】

本実施形態の人工光合成アレイ１０ａでも、各人工光合成モジュール６０に、光Ｌ（図７参照）を照射し、水素ガス生成部３２および酸素ガス生成部３４に、それぞれ電解質水溶液ＡＱを供給する。光Ｌ（図７参照）の照射により、光電変換ユニット３０で起電力が生じ、光電変換ユニット３０の電力により、各水素用電解室１４で電解質水溶液ＡＱが分解されて水素ガスが発生し、水素ガス配管２０を介して上流側に移動し、回収される。各酸素用電解室１６では電解質水溶液ＡＱが分解されて酸素ガスが発生し、酸素ガス配管２２を介して上流側に移動し、回収される。この場合でも、人工光合成モジュール列Ｔは、所定の角度θ傾斜しているため、電解質水溶液ＡＱは下流側の人工光合成モジュール６０に流れる。また、角度θ傾斜していることにより、水素ガスおよび酸素ガスは上流側に移動しやすい。

【0064】

本実施形態の人工光合成アレイ１０ａにおいても、第１の実施形態の人工光合成アレイ１０と同じく、複数の人工光合成モジュール１２を用いており、上流側から水素用電解室１４、酸素用電解室１６の順、または酸素用電解室１６、水素用電解室１４の順で、水素用電解室１４と酸素用電解室１６とを交互に接続している。このように接続することで、水から水素ガス、酸素ガスの順、または酸素ガス、水素ガスの順でガスが生成される。これにより、水中のイオン濃度またはｐＨ値に差異の発生を抑制でき、水分解能の低下も抑制することができる。このようにして、人工光合成アレイ１０ａの系全体で、水中のイオン濃度またはｐＨ値を一定に保つことができる。しかも、隔壁としてイオン交換膜を設ける必要もない。
また、本実施形態においても、第１の実施形態と同じく、角度θ傾斜しているため、上述のように、水素ガスおよび酸素ガスを容易に回収することができる。

【0065】

第１の実施形態の人工光合成モジュール１２では、水素ガス生成部３２の水素生成用の助触媒５４が形成された面（機能層５２の表面５２ａ）と、酸素ガス生成部３４の酸素生成用の助触媒５６が形成された面（領域４３の表面４３ａ）とに対して平行になるように電解質水溶液ＡＱを供給していたが、本発明は、これに限定されるものではない。
例えば、図１１（ａ）に示すように、水素ガス生成部３２の水素生成用の助触媒５４が形成された面（機能層５２の表面５２ａ）と、酸素ガス生成部３４の酸素生成用の助触媒５６が形成された面（領域４３の表面４３ａ）とを、方向Ｄに対して下流側を上げるようにして基準面Ｈｓに対して所定の角度α傾斜させてもよい。この場合、絶縁性基板４０を容器１３内で角度α傾斜させて配置させる。これにより、電解質水溶液ＡＱの水流ｆｑが、水素ガス生成部３２の水素生成用の助触媒５４が形成された面（機能層５２の表面５２ａ）および酸素ガス生成部３４の酸素生成用の助触媒５６が形成された面（領域４３の表面４３ａ）に当った際に、生成されたガスを、各面から取り除くことができる。これにより、各面と電解質水溶液ＡＱとの接触面積の低下を抑制することができ、より効率よく水素ガスおよび酸素ガスを回収することができる。

【0066】

また、第２の実施形態の人工光合成モジュール６０は、上述のように水素ガス生成部３２と酸素ガス生成部３４とは絶縁性基板４０に対して逆の面に設けられている。方向Ｄに対して下流側を下げるようにして、基準面Ｈｓに対して絶縁性基板４０を所定の角度β傾斜させると、図１１（ｂ）に示すようになる。この場合においても、酸素ガス生成部３４の酸素生成用の助触媒５６が形成された面（導電膜６２の表面６２ａ）に当った際に、生成されたガスを、酸素生成用の助触媒５６が形成された面（導電膜６２の表面６２ａ）から取り除くことができる。これにより、酸素生成用の助触媒５６が形成された面（導電膜６２の表面６２ａ）と電解質水溶液ＡＱとの接触面積の低下を抑制することができ、より効率よく水素ガスおよび酸素ガスを回収することができる。
人工光合成モジュール６０において、角度β傾斜させる際には、導電膜６２の表面６２ａを傾斜させることが好ましい。この場合、まず、導電膜６２を形成した後、その表面６２ａを機械的または化学的に削ることにより、斜面に形成する。

【0067】

本発明は、基本的に以上のように構成されるものである。以上、本発明の人工光合成アレイについて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良または変更をしてもよいのはもちろんである。

【符号の説明】

【0068】

１０、１０ａ 人工光合成アレイ
１２、６０ 人工光合成モジュール
１３ 容器
１４ 水素用電解室
１６ 酸素用電解室
１７ 隔壁
１８ 配管
２０ 水素ガス配管
２２ 酸素ガス配管
３０ 光電変換ユニット
３２ 水素ガス生成部
３４ 酸素ガス生成部
３６ａ、３６ｂ、３６ｃ ｐｎ接合セル
４０ 絶縁性基板
４２ 裏面電極
４４ 光電変換層
４６ バッファ層
４８ 透明電極
５０ 保護膜
５２ 機能層
５４、５６ 助触媒
６２ 導電膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】