JP2020186454A - Artificial photosynthetic cell - Google Patents
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Abstract
【課題】人工光合成の変換効率を向上することができる、太陽電池を用いた人工光合成セルを提供する。【解決手段】バンドギャップが1.1〜2.0eV/1.8〜2.4eVの2接合薄膜太陽電池10と、酸化反応用電極である正極12と、還元反応用電極である負極14と、を備える、人工光合成セル1である。【選択図】図5An artificial photosynthesis cell using a solar cell capable of improving the conversion efficiency of artificial photosynthesis is provided. A dual-junction thin-film solar cell 10 having a bandgap of 1.1 to 2.0 eV/1.8 to 2.4 eV, a positive electrode 12 as an oxidation reaction electrode, and a negative electrode 14 as a reduction reaction electrode. is an artificial photosynthesis cell 1 comprising: [Selection drawing] Fig. 5
Description
本発明は、人工光合成セルに関する。 The present invention relates to an artificial photosynthesis cell.
太陽光エネルギーを用いて水(H2O)から水素(H2)を、水(H2O)と二酸化炭素(CO2)から一酸化炭素(CO)、ギ酸(HCOOH)、メタノール(CH3OH)などを合成する人工光合成の研究が極めて活発に行われている。後者の場合、H2Oは酸化されてCO2に電子とプロトンを供給する。pH7付近ではH2Oの酸化電位は0.82V、還元電位は−0.41V(何れもNHE)である(非特許文献1参照)。また、CO2からCO,HCOOH,CH3OHへの還元電位はそれぞれ−0.53V、−0.61V、−0.38Vである。したがって、酸化電位と還元電位の電位差は、1.20〜1.43Vである。 Using solar energy, water (H 2 O) to hydrogen (H 2 ), water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) to carbon monoxide (CO), formic acid (HCOOH), methanol (CH 3 ) Research on artificial photosynthesis that synthesizes OH) and the like is extremely active. In the latter case, H 2 O is oxidized to supply electrons and protons to CO 2 . The oxidation potential of H 2 O in the vicinity of pH 7 0.82 V, the reduction potential is -0.41V (both NHE) (see Non-Patent Document 1). The reduction potentials from CO 2 to CO, HCOOH, and CH 3 OH are −0.53V, −0.61V, and −0.38V, respectively. Therefore, the potential difference between the oxidation potential and the reduction potential is 1.20 to 1.43 V.
人工光合成のための材料研究は、価電子帯上端が0.82Vよりも浅く、伝導帯下端が上記還元電位よりも深い位置にある半導体光触媒から始まった。しかし、バンドギャップが広いために太陽光スペクトルのごく一部しか利用できないので、単一光触媒材料に替わって、半導体pn接合を基にした太陽電池の正極、負極のそれぞれに酸化反応の触媒、還元反応の触媒を担持した、非特許文献2のFig.3(B)、非特許文献3のFig.2(A)に示されるような一体型人工光合成セルの研究が拡がりつつある(非特許文献2〜4参照)。ただし、この場合、素子が水に浸漬されるので、後述するように(図2参照)、水の光吸収による損失が生じる。これを回避する方法の1つが、非特許文献5に示されるように、酸化電極と還元電極とを対向させた間に電解液を満たしたものと太陽電池を電気配線も含めてパッケージ化した対向型人工光合成セルである(非特許文献5参照)。 Material research for artificial photosynthesis began with a semiconductor photocatalyst whose upper end of the valence band is shallower than 0.82 V and whose lower end of the conduction band is deeper than the reduction potential. However, since only a small part of the solar spectrum can be used due to the wide bandgap, instead of a single photocatalytic material, the positive electrode and negative electrode of a solar cell based on a semiconductor pn junction are used as catalysts and reductions for oxidation reaction. Fig. 2 of Non-Patent Document 2 carrying a catalyst for the reaction. 3 (B), Fig. Research on integrated artificial photosynthesis cells as shown in 2 (A) is expanding (see Non-Patent Documents 2 to 4). However, in this case, since the element is immersed in water, as will be described later (see FIG. 2), a loss due to light absorption of water occurs. As shown in Non-Patent Document 5, one method of avoiding this is to package the solar cell and the one filled with the electrolytic solution while the oxide electrode and the reducing electrode are opposed to each other, including the electrical wiring. This is a type artificial photosynthesis cell (see Non-Patent Document 5).
上記の通り、酸化電位と還元電位の電位差は1.20〜1.43Vであり、実際に合成反応を生じさせるためには過電圧が必要であるため、約2.0〜2.4Vの動作電圧が必要である(図1参照)。多接合太陽電池は複数の素子を直列接続したものであるから、高い電圧が得られる。非特許文献2〜5では、3接合アモルファスシリコン系太陽電池が用いられている。しかし、3接合アモルファスシリコン系太陽電池の変換効率は最高でも14%であるため(非特許文献6参照)、これを用いた人工光合成の変換効率は最高でもこれのおよそ1/2程度に留まる。 As described above, the potential difference between the oxidation potential and the reduction potential is 1.20 to 1.43 V, and an overvoltage is required to actually cause the synthesis reaction. Therefore, the operating voltage is about 2.0 to 2.4 V. Is required (see FIG. 1). Since a multi-junction solar cell has a plurality of elements connected in series, a high voltage can be obtained. In Non-Patent Documents 2 to 5, a 3-junction amorphous silicon solar cell is used. However, since the conversion efficiency of the 3-junction amorphous silicon-based solar cell is at most 14% (see Non-Patent Document 6), the conversion efficiency of artificial photosynthesis using this is at most about 1/2 of this.
本発明の目的は、人工光合成の変換効率を向上することができる、太陽電池を用いた人工光合成セルを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an artificial photosynthesis cell using a solar cell, which can improve the conversion efficiency of artificial photosynthesis.
本発明は、バンドギャップが1.1〜2.0eV/1.8〜2.4eVの2接合薄膜太陽電池と、酸化反応用電極である正極と、還元反応用電極である負極と、を備える、人工光合成セルである。 The present invention includes a two-junction thin-film solar cell having a bandgap of 1.1 to 2.0 eV / 1.8 to 2.4 eV, a positive electrode for an oxidation reaction, and a negative electrode for a reduction reaction. , An artificial photosynthesis cell.
前記人工光合成セルにおいて、前記2接合薄膜太陽電池は、ボトムセルが、(FA1−xMA1−x’Csx+x’)(Pb1−ySny)I、0≦x+x’≦1、0≦y≦1の組成を有し、トップセルが、(FA1−xMA1−x’Csx+x’)(I1−zBrz)3、0≦x+x’≦1、0.4≦z≦1の組成を有する有機無機ハイブリッドペロブスカイトを含んで構成される光電変換層を有することが好ましい。 In the artificial photosynthesis cell, the two-junction thin-film solar cell, bottom cell, (FA 1-x MA 1 -x 'Cs x + x') (Pb 1-y Sn y) I, 0 ≦ x + x '≦ 1,0 ≦ It has a composition of y ≦ 1, and the top cell is (FA 1-x MA 1- x'Cs x + x' ) (I 1-z Br z ) 3 , 0 ≦ x + x'≦ 1, 0.4 ≦ z ≦ It is preferable to have a photoelectric conversion layer composed of an organic-inorganic hybrid perovskite having the composition of 1.
前記人工光合成セルにおいて、前記2接合薄膜太陽電池は、ボトムセルが、Cu(In1−xGax)Se2、0≦x≦1の組成を有し、トップセルが、Cu(In1−x’Alx’)Se2、0.9≦x’≦1の組成を有するCIGS系化合物を含んで構成される光電変換層を有することが好ましい。 In the artificial photosynthesis cell, in the two-junction thin-film solar cell, the bottom cell has a composition of Cu (In 1-x Ga x ) Se 2 , 0 ≦ x ≦ 1, and the top cell has a Cu (In 1-x). 'Al x') Se 2, preferably has a photoelectric conversion layer configured to include a CIGS-based compound having a composition of 0.9 ≦ x '≦ 1.
前記人工光合成セルにおいて、前記2接合薄膜太陽電池は、ボトムセルが、Cu2ZnSn(S1−xSex)4、0≦x≦1の組成を有し、トップセルが、Cu2Zn(Sn1−x’Gex’)S4、0.6≦x’≦1の組成を有するCGTS系化合物を含んで構成される光電変換層を有することが好ましい。 In the artificial photosynthesis cell, the two-junction thin-film solar cell, the bottom cell has a composition of Cu 2 ZnSn (S 1-x Se x) 4, 0 ≦ x ≦ 1, the top cell, Cu 2 Zn (Sn 1-x 'Ge x') S 4, it is preferable to have a photoelectric conversion layer configured to include a CGTS based compound having a composition of 0.6 ≦ x '≦ 1.
前記人工光合成セルにおいて、前記2接合薄膜太陽電池は、ボトムセルが、Cu2Zn(Sn1−xGex)S4、0≦x≦0.8の組成を有し、トップセルが、Cu2Zn(Sn1−x’Gex’)S4、0.6≦x’≦1、ただしx’<xの組成を有するCGTS系化合物を含んで構成される光電変換層を有することが好ましい。 In the artificial photosynthesis cell, the two-junction thin-film solar cell, the bottom cell has a composition of Cu 2 Zn (Sn 1-x Ge x) S 4, 0 ≦ x ≦ 0.8, the top cell, Cu 2 It is preferable to have a photoelectric conversion layer composed of Zn (Sn 1- x'Ge x' ) S 4 , 0.6 ≦ x'≦ 1, but containing a CGTS-based compound having a composition of x ′ <x.
前記人工光合成セルにおいて、前記2接合薄膜太陽電池は、ボトムセルが、Cu2Zn(Sn1−xGex)Se4、0.3≦x≦1.0の組成を有し、トップセルが、Cu2Zn(Sn1−x’Gex’)S4、0.6≦x’≦1の組成を有するCGTS系化合物を含んで構成される光電変換層を有することが好ましい。 In the artificial photosynthesis cell, the two-junction thin-film solar cell, bottom cell, Cu 2 Zn (Sn 1- x Ge x) Se 4, has a composition of 0.3 ≦ x ≦ 1.0, the top cell, It is preferable to have a photoelectric conversion layer composed of Cu 2 Zn (Sn 1- x'Ge x' ) S 4 and a CGTS-based compound having a composition of 0.6 ≦ x'≦ 1.
前記人工光合成セルにおいて、前記2接合薄膜太陽電池は、ボトムセルが、Cu2(Sn1−xGex)S3、0.3≦x≦1.0の組成を有し、トップセルが、Cu2Zn(Sn1−x’Gex’)S4、0.6≦x’≦1の組成を有するCGTS系化合物を含んで構成される光電変換層を有することが好ましい。 In the artificial photosynthesis cell, the two-junction thin-film solar cell, bottom cell, Cu 2 (Sn 1-x Ge x) S 3, having a composition of 0.3 ≦ x ≦ 1.0, the top cell, Cu It is preferable to have a photoelectric conversion layer composed of 2 Zn (Sn 1- x'Ge x' ) S 4 , a CGTS-based compound having a composition of 0.6 ≦ x'≦ 1.
本発明により、変換効率を向上することができる、太陽電池を用いた人工光合成セルを提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide an artificial photosynthesis cell using a solar cell, which can improve the conversion efficiency.
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below. The present embodiment is an example of carrying out the present invention, and the present invention is not limited to the present embodiment.
本発明の実施の形態に係る人工光合成セルは、バンドギャップが1.1〜2.0eV/1.8〜2.4eVの2接合薄膜太陽電池と、酸化反応用電極である正極と、還元反応用電極である負極と、を備える。 The artificial photosynthesis cell according to the embodiment of the present invention has a two-junction thin-film solar cell having a bandgap of 1.1 to 2.0 eV / 1.8 to 2.4 eV, a positive electrode as an electrode for oxidation reaction, and a reduction reaction. A negative electrode, which is an electrode for use, is provided.
本実施形態に係る人工光合成セルは、人工光合成反応に必要な電位差を確保しながら大電流を取り出すことができるので、人工光合成の変換効率が向上する。これは、適切なバンドギャップをもつ材料を用いて太陽電池を構成することにより、酸化電極および還元電極と組み合わせたときの動作点が太陽電池の最大出力動作点におおよそ一致するためである。 Since the artificial photosynthesis cell according to the present embodiment can take out a large current while securing the potential difference required for the artificial photosynthesis reaction, the conversion efficiency of artificial photosynthesis is improved. This is because, by constructing the solar cell using a material having an appropriate bandgap, the operating point when combined with the oxide electrode and the reducing electrode roughly matches the maximum output operating point of the solar cell.
本実施形態に係る人工光合成セルにおいて、2接合薄膜太陽電池は、ボトムセルが、(FA1−xMA1−x’Csx+x’)(Pb1−ySny)I、0≦x+x’≦1、0≦y≦1の組成(バンドギャップ1.2〜1.8eV)を有し、トップセルが、(FA1−xMA1−x’Csx+x’)(I1−zBrz)3、0≦x+x’≦1、0.4≦z≦1の組成(バンドギャップ1.8〜2.3eV)を有する有機無機ハイブリッドペロブスカイトを含んで構成される光電変換層を有することが好ましい(組成については、非特許文献13〜16参照)。 In artificial photosynthesis cell according to the present embodiment, 2-junction thin-film solar cell, bottom cell, (FA 1-x MA 1 -x 'Cs x + x') (Pb 1-y Sn y) I, 0 ≦ x + x '≦ 1 , 0 ≦ y ≦ 1 (bandgap 1.2 to 1.8 eV), and the top cell is (FA 1-x MA 1- x'Cs x + x' ) (I 1-z Br z ) 3 It is preferable to have a photoelectric conversion layer composed of an organic-inorganic hybrid perovskite having a composition of 0 ≦ x + x ′ ≦ 1, 0.4 ≦ z ≦ 1 (bandgap 1.8 to 2.3 eV) (composition). For reference, see Non-Patent Documents 13 to 16).
本実施形態に係る人工光合成セルにおいて、2接合薄膜太陽電池は、ボトムセルが、Cu(In1−xGax)Se2、0≦x≦1の組成(バンドギャップ1.0〜1.6eV)を有し、トップセルが、Cu(In1−x’Alx’)Se2、0.9≦x’≦1の組成(バンドギャップ1.8〜2.0eV)を有するCIGS系化合物を含んで構成される光電変換層を有することが好ましい(組成については、非特許文献17〜19参照)。 In the artificial photosynthesis cell according to the present embodiment, in the two-junction thin-film solar cell, the bottom cell has a composition of Cu (In 1-x Ga x ) Se 2 and 0 ≦ x ≦ 1 (band gap 1.0 to 1.6 eV). The top cell contains a CIGS-based compound having a composition of Cu (In 1- x'Al x' ) Se 2 and 0.9 ≦ x'≦ 1 (bandgap 1.8 to 2.0 eV). It is preferable to have a photoelectric conversion layer composed of (see Non-Patent Documents 17 to 19 for the composition).
本実施形態に係る人工光合成セルにおいて、2接合薄膜太陽電池は、ボトムセルが、Cu2ZnSn(S1−xSex)4、0≦x≦1の組成(バンドギャップ1.3〜1.5eV)を有し、トップセルが、Cu2Zn(Sn1−x’Gex’)S4、0.6≦x’≦1の組成(バンドギャップ1.8〜2.1eV)を有するCGTS系化合物を含んで構成される光電変換層を有することが好ましい(組成については、非特許文献20〜23参照)。 In artificial photosynthesis cell according to the present embodiment, 2-junction thin-film solar cell, bottom cell, Cu 2 ZnSn (S 1- x Se x) 4, 0 composition ≦ x ≦ 1 (band gap 1.3~1.5eV ), And the top cell has a composition of Cu 2 Zn (Sn 1- x'Ge x' ) S 4 , 0.6 ≦ x'≦ 1 (band gap 1.8 to 2.1 eV). It is preferable to have a photoelectric conversion layer composed of a compound (see Non-Patent Documents 20 to 23 for the composition).
前記人工光合成セルにおいて、前記2接合薄膜太陽電池は、ボトムセルが、Cu2Zn(Sn1−xGex)S4、0≦x≦0.8の組成(バンドギャップ1.5〜2.0eV)を有し、トップセルが、Cu2Zn(Sn1−x’Gex’)S4、0.6≦x’≦1、ただしx’<xの組成(バンドギャップ1.8〜2.1eV)を有するCGTS系化合物を含んで構成される光電変換層を有することが好ましい(組成については、非特許文献20〜23参照)。 In the artificial photosynthesis cell, the two-junction thin-film solar cell, bottom cell, Cu 2 Zn (Sn 1- x Ge x) S 4, 0 ≦ composition of x ≦ 0.8 (bandgap 1.5~2.0eV ), And the top cell is Cu 2 Zn (Sn 1- x'Ge x' ) S 4 , 0.6 ≤ x'≤ 1, but the composition of x'<x (bandgap 1.8 to 2.). It is preferable to have a photoelectric conversion layer composed of a CGTS-based compound having 1 eV) (see Non-Patent Documents 20 to 23 for the composition).
前記人工光合成セルにおいて、前記2接合薄膜太陽電池は、ボトムセルが、Cu2Zn(Sn1−xGex)Se4、0.3≦x≦1.0の組成(バンドギャップ1.1〜1.35eV)を有し、トップセルが、Cu2Zn(Sn1−x’Gex’)S4、0.6≦x’≦1の組成(バンドギャップ1.8〜2.1eV)を有するCGTS系化合物を含んで構成される光電変換層を有することが好ましい(組成については、非特許文献20〜23参照)。 In the artificial photosynthesis cell, in the two-junction thin-film solar cell, the bottom cell has a composition of Cu 2 Zn (Sn 1-x Ge x ) Se 4 , 0.3 ≦ x ≦ 1.0 (bandgap 1.1 to 1). .35 eV), and the top cell has a composition of Cu 2 Zn (Sn 1- x'Ge x' ) S 4 , 0.6 ≦ x'≦ 1 (bandgap 1.8 to 2.1 eV). It is preferable to have a photoelectric conversion layer composed of a CGTS-based compound (see Non-Patent Documents 20 to 23 for the composition).
前記人工光合成セルにおいて、前記2接合薄膜太陽電池は、ボトムセルが、Cu2(Sn1−xGex)S3、0.3≦x≦1.0の組成(バンドギャップ1.1〜1.7eV)を有し、トップセルが、Cu2Zn(Sn1−x’Gex’)S4、0.6≦x’≦1の組成(バンドギャップ1.8〜2.1eV)を有するCGTS系化合物を含んで構成される光電変換層を有することが好ましい(組成については、非特許文献20〜23参照)。 In the artificial photosynthesis cell, the two-junction thin-film solar cell, bottom cell, Cu 2 (Sn 1-x Ge x) S 3, 0.3 ≦ x ≦ 1.0 composition (bandgap 1.1-1. CGTS having 7 eV) and a top cell having a composition of Cu 2 Zn (Sn 1- x'Ge x' ) S 4 , 0.6 ≦ x'≦ 1 (bandgap 1.8 to 2.1 eV) It is preferable to have a photoelectric conversion layer composed of a system compound (see Non-Patent Documents 20 to 23 for the composition).
本実施形態に係る人工光合成セルの構成は、バンドギャップが1.1〜2.0eV/1.8〜2.4eVの上記2接合薄膜太陽電池と、酸化反応用電極である正極と、還元反応用電極である負極と、を備えるものであればよく、特に限定されない。本実施形態に係る人工光合成セルは、例えば、バンドギャップが1.1〜2.0eV/1.8〜2.4eVの上記2接合薄膜太陽電池と;酸化反応用電極である正極と、還元反応用電極である負極と、を有する電気化学反応装置と;を備える。 The structure of the artificial photosynthesis cell according to the present embodiment includes the above-mentioned two-junction thin-film solar cell having a bandgap of 1.1 to 2.0 eV / 1.8 to 2.4 eV, a positive electrode as an electrode for oxidation reaction, and a reduction reaction. It is not particularly limited as long as it includes a negative electrode which is a working electrode. The artificial photosynthesis cell according to the present embodiment is, for example, the above-mentioned two-junction thin-film solar cell having a band gap of 1.1 to 2.0 eV / 1.8 to 2.4 eV; a positive electrode as an electrode for oxidation reaction, and a reduction reaction. A negative electrode, which is an electrode for use, and an electrochemical reaction apparatus having the negative electrode;
本実施形態に係る人工光合成セルは、例えば、図5に示すように、収容部18内に正極(アノード電極)12と負極(カソード電極)14とを対向させた間の流路16に電解液を満たした電気化学反応装置と、負極(カソード電極)14に隣接して配置した2接合薄膜太陽電池10とを電気配線も含めてパッケージ化した対向型の人工光合成セル1である。本実施形態に係る人工光合成セルは、例えば、図6に示すように、2接合薄膜太陽電池10の両面にそれぞれ正極(アノード電極)12、負極(カソード電極)14を備える一体型の人工光合成セル3とし、容器内の電解液に浸漬して用いられる方式としてもよい。また、本実施形態に係る人工光合成セルは、例えば、図7に示すように、2接合薄膜太陽電池10の片面に正極(アノード電極)12と負極(カソード電極)14との相互貫入電極を設けて、それが容器20内の電解液(水)中あるいは電解液(水)面(例えば、セルが電解液(水)面に浮かんでいて、2接合薄膜太陽電池10は電解液(水)に浸漬されていないが、正極(アノード電極)12と負極(カソード電極)14は電解液(水)に接している。)にある人工光合成セル5としてもよい。 In the artificial photosynthesis cell according to the present embodiment, for example, as shown in FIG. 5, an electrolytic solution is provided in a flow path 16 between a positive electrode (anode electrode) 12 and a negative electrode (cathode electrode) 14 facing each other in an accommodating portion 18. This is an opposed type artificial photosynthetic cell 1 in which an electrochemical reaction apparatus satisfying the above requirements and a two-junction thin film solar cell 10 arranged adjacent to a negative electrode (cathode electrode) 14 are packaged including electrical wiring. As shown in FIG. 6, the artificial photosynthesis cell according to the present embodiment is, for example, an integrated artificial photosynthesis cell having a positive electrode (anode electrode) 12 and a negative electrode (cathode electrode) 14 on both sides of a two-junction thin-film solar cell 10. It may be set to 3 and may be used by immersing it in the electrolytic solution in the container. Further, in the artificial photosynthesis cell according to the present embodiment, for example, as shown in FIG. 7, a mutual penetration electrode between a positive electrode (anode electrode) 12 and a negative electrode (cathode electrode) 14 is provided on one side of a two-junction thin film solar cell 10. Then, it is in the electrolytic solution (water) in the container 20 or on the electrolytic solution (water) surface (for example, the cell is floating on the electrolytic solution (water) surface, and the two-junction thin film solar cell 10 is in the electrolytic solution (water). Although it is not immersed, the positive electrode (anode electrode) 12 and the negative electrode (cathode electrode) 14 may be in contact with the electrolytic solution (water)) as the artificial photosynthesis cell 5.
図5の人工光合成セル1を例に以下、説明する。人工光合成セル1の電気化学反応装置は、例えば、収容部18内に例えば板状の部材である正極(アノード電極)12と負極(カソード電極)14とが離間されて対向する位置に配置され、アノード電極12とカソード電極14との間に、二酸化炭素等の反応基質を含む電解液が流れる流路16を有する。アノード電極12とカソード電極14は電線等が接続され、適切な電位に保持される。 The artificial photosynthesis cell 1 of FIG. 5 will be described below as an example. The electrochemical reaction apparatus of the artificial photosynthesis cell 1 is arranged in the accommodating portion 18 at a position where, for example, a positive electrode (anode electrode) 12 and a negative electrode (cathode electrode) 14, which are plate-shaped members, are separated from each other and face each other. Between the anode electrode 12 and the cathode electrode 14, there is a flow path 16 through which an electrolytic solution containing a reaction substrate such as carbon dioxide flows. An electric wire or the like is connected to the anode electrode 12 and the cathode electrode 14, and the potential is maintained at an appropriate potential.
電気化学反応装置は、アノード電極12とカソード電極14との間の流路16に二酸化炭素等の反応基質を含む電解液が導入されることによって機能する。アノード電極12においては、例えば、水(H2O)が酸化されて酸素(1/2O2)が得られる。カソード電極14においては、例えば二酸化炭素が還元されてギ酸(HOOOH)等が生成される。 The electrochemical reactor functions by introducing an electrolytic solution containing a reaction substrate such as carbon dioxide into the flow path 16 between the anode electrode 12 and the cathode electrode 14. In the anode electrode 12, for example, water (H 2 O) is oxidized to obtain oxygen (1 / 2 O 2 ). In the cathode electrode 14, for example, carbon dioxide is reduced to produce formic acid (HOOOH) and the like.
還元反応用電極である負極(カソード電極)14は、還元反応によって物質を還元するために利用される電極である。カソード電極14は、例えば、基板上に順に形成される導電層および導電体層を含んで構成される。 The negative electrode (cathode electrode) 14, which is an electrode for a reduction reaction, is an electrode used for reducing a substance by a reduction reaction. The cathode electrode 14 is composed of, for example, a conductive layer and a conductor layer that are sequentially formed on the substrate.
基板は、電極を構造的に支持する部材である。基板は、特に材料が限定されるものではないが、例えば、ガラス基板等が挙げられる。基板は、例えば、金属または半導体を含むものとしてもよい。基板として用いられる金属は、特に限定されるものではないが、例えば、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、カドミウム(Cd)、スズ(Sn)、パラジウム(Pd)、鉛(Pb)等が挙げられる。基板として用いられる半導体は、特に限定されるものではないが、例えば、酸化チタン(TiO2)、酸化スズ(SnO2)、シリコン(Si)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タンタル(Ta2O5)等が挙げられる。基板を金属または半導体を含むものとした場合、導電層および導電体層と基板との間には絶縁層を形成することが好ましい。絶縁層は、特に限定されるものではないが、半導体の酸化物、窒化物や樹脂等が挙げられる。金属基板と導電層および導電体層とが電気的に直接接続されている構成としてもよい。 The substrate is a member that structurally supports the electrodes. The material of the substrate is not particularly limited, and examples thereof include a glass substrate. The substrate may include, for example, a metal or a semiconductor. The metal used as the substrate is not particularly limited, but for example, silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), zinc (Zn), indium (In), cadmium (Cd), tin ( Sn), palladium (Pd), lead (Pb) and the like can be mentioned. The semiconductor used as the substrate is not particularly limited, but is, for example, titanium oxide (TiO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), silicon (Si), strontium titanate (SrTiO 3 ), zinc oxide (ZnO). , Tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) and the like. When the substrate contains a metal or a semiconductor, it is preferable to form an insulating layer between the conductive layer and the conductor layer and the substrate. The insulating layer is not particularly limited, and examples thereof include semiconductor oxides, nitrides, and resins. The metal substrate and the conductive layer and the conductive layer may be directly electrically connected to each other.
基板は、高比表面積を有する等の点から、カーボン材料を含んで構成されてもよい。カーボン材料は、特に限定されるものではないが、例えば、カーボンブラック、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンクロス、カーボンペーパー等が挙げられる。 The substrate may be composed of a carbon material because it has a high specific surface area and the like. The carbon material is not particularly limited, and examples thereof include carbon black, graphene, fullerene, carbon nanotube, carbon cloth, and carbon paper.
導電層は、カソード電極14における集電を効果的にするために設けられる。導電層は、特に限定されるものではないが、酸化インジウム錫(ITO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)、酸化亜鉛(ZnO)等の透明導電層等が挙げられる。特に、熱的および化学的な安定性を考慮すると、フッ素ドープ酸化錫(FTO)を用いることが好適である。 The conductive layer is provided to effectively collect current at the cathode electrode 14. The conductive layer is not particularly limited, and examples thereof include transparent conductive layers such as indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), and zinc oxide (ZnO). In particular, considering thermal and chemical stability, it is preferable to use fluorine-doped tin oxide (FTO).
導電体層は、還元触媒機能を有する材料を含む導電体を含んで構成される。導電体は、カーボン材料(C)を含む材料を含んで構成することができる。カーボン材料の構造体の単体のサイズが1nm以上1μm以下であることが好適である。カーボン材料は、例えば、カーボンナノチューブ、グラフェンおよびグラファイトの少なくとも1つ等が挙げられる。グラフェンおよびグラファイトであればサイズが1nm以上1μm以下であることが好適である。カーボンナノチューブであれば直径が1nm以上40nm以下であることが好適である。導電体は、例えば、エタノール等の液体に混ぜ合わせたカーボン材料をスプレーで塗布し、加熱することによって形成することができる。スプレーの代わりに、スピンコートによって塗布してもよい。また、スピンコートを用いず、直接溶液を滴下して乾かして塗布してもよい。 The conductor layer is composed of a conductor containing a material having a reduction catalyst function. The conductor can be composed of a material including a carbon material (C). It is preferable that the size of the carbon material structure alone is 1 nm or more and 1 μm or less. Examples of the carbon material include at least one of carbon nanotubes, graphene and graphite. For graphene and graphite, the size is preferably 1 nm or more and 1 μm or less. If it is a carbon nanotube, it is preferable that the diameter is 1 nm or more and 40 nm or less. The conductor can be formed, for example, by applying a carbon material mixed with a liquid such as ethanol by spraying and heating the conductor. Instead of spraying, it may be applied by spin coating. Alternatively, the solution may be directly dropped, dried and applied without using spin coating.
還元触媒機能を有する材料として、錯体触媒等を用いることができる。錯体触媒は、例えば、ルテニウム錯体とすることが好適である。錯体触媒は、例えば、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)Cl2]、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)2Cl2]、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)2]n、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(CH3CN)Cl2]等が挙げられる。 As a material having a reduction catalyst function, a complex catalyst or the like can be used. The complex catalyst is preferably, for example, a ruthenium complex. Complex catalysts include, for example, [Ru {4,4'-di (1-H-1-pyrrolipropyl carbonate) -2,2'-bipyridine} (CO) (MeCN) Cl 2 ], [Ru {4,4'. -Di (1-H-1-pyridypropyl carbonate) -2,2'-bipyridine} (CO) 2 Cl 2 ], [Ru {4,4'-di (1-H-1-pyridyl carbonate) -2, 2'-bipyridine} (CO) 2 ] n , [Ru {4,4'-di (1-H-1-pyrrolipropyl carbonate) -2,2'-bipyridine} (CO) (CH 3 CN) Cl 2 ] And so on.
錯体触媒による修飾は、例えば、錯体をアセトニトリル(MeCN)溶液に溶解した液を導電体層の導電体の上に塗布することで作製することができる。また、錯体触媒による修飾は、電解重合法により行うこともできる。例えば、作用極として導電体層の導電体の電極、対極にフッ素含有酸化スズ(FTO)で被覆したガラス基板、参照電極にAg/Ag+電極を用い、錯体触媒を含む電解液中においてAg/Ag+電極に対して負電圧となるようにカソード電流を流した後、Ag/Ag+電極に対して正電位となるようにアノード電流を流すことにより導電体層の導電体上を錯体触媒で修飾することができる。電解質の溶液には、例えば、アセトニトリル(MeCN)、電解質には、例えば、Tetrabutylammoniumperchlorate(TBAP)を用いることができる。 Modification with a complex catalyst can be produced, for example, by applying a solution of the complex in an acetonitrile (MeCN) solution onto the conductor of the conductor layer. Further, the modification with a complex catalyst can also be performed by an electrolytic polymerization method. For example, an electrode of a conductor in a conductor layer is used as a working electrode, a glass substrate coated with fluorine-containing tin oxide (FTO) is used as a counter electrode, and an Ag / Ag + electrode is used as a reference electrode, and Ag / is used in an electrolytic solution containing a complex catalyst. A cathode current is passed through the Ag + electrode so that it becomes a negative voltage, and then an anode current is passed through the Ag / Ag + electrode so that it becomes a positive potential, so that the conductor of the conductor layer is covered with a complex catalyst. Can be modified. For the solution of the electrolyte, for example, acetonitrile (MeCN) can be used, and for the electrolyte, for example, Tetrabutylammioniumperchlate (TBAP) can be used.
このように形成された導電体層は、カソード電極14を構成する導電層上に担持、塗布または貼付される。これにより、基板上に、順に導電層および導電体層を有するカソード電極14が形成される。 The conductor layer thus formed is supported, coated or affixed on the conductive layer constituting the cathode electrode 14. As a result, the cathode electrode 14 having the conductive layer and the conductive layer in this order is formed on the substrate.
酸化反応用電極である正極(アノード電極)12は、酸化反応によって物質を酸化するために利用される電極である。アノード電極12は、例えば、基板上に順に形成される導電層および酸化触媒層を含んで構成される。 The positive electrode (anode electrode) 12, which is an electrode for an oxidation reaction, is an electrode used for oxidizing a substance by an oxidation reaction. The anode electrode 12 is composed of, for example, a conductive layer and an oxidation catalyst layer which are sequentially formed on the substrate.
基板は、電極を構造的に支持する部材である。基板は、カソード電極14に用いられる基板と同様の材料とすることができる。 The substrate is a member that structurally supports the electrodes. The substrate can be made of the same material as the substrate used for the cathode electrode 14.
導電層は、アノード電極12における集電を効果的にするために設けられる。導電層は、特に限定されるものではないが、例えば、酸化インジウム錫(ITO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)、酸化亜鉛(ZnO)等が挙げられる。特に、熱的および化学的な安定性を考慮すると、フッ素ドープ酸化錫(FTO)を用いることが好適である。 The conductive layer is provided to effectively collect current at the anode electrode 12. The conductive layer is not particularly limited, and examples thereof include indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), and zinc oxide (ZnO). In particular, considering thermal and chemical stability, it is preferable to use fluorine-doped tin oxide (FTO).
酸化触媒層は、酸化触媒機能を有する材料を含んで構成される。酸化触媒機能を有する材料は、例えば、酸化イリジウム(IrOx)を含む材料等が挙げられる。酸化イリジウムは、ナノコロイド溶液として導電層の表面上に担持することができる(T.Arai et.al, Energy Environ. Sci 8, 1998 (2015)参照)。 The oxidation catalyst layer is composed of a material having an oxidation catalyst function. Examples of the material having an oxidation catalyst function include a material containing iridium oxide (IrOx). Iridium oxide can be supported on the surface of the conductive layer as a nanocolloidal solution (see T. Arai et.al, Energy Environ. Sci 8, 1998 (2015)).
例えば、酸化イリジウム(IrOx)のナノコロイドを合成する。次に、2mMの塩化イリジウム酸(IV)カリウム(K2IrCl6)水溶液50mLに10wt%の水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液を加えてpH13に調整した黄色溶液を、ホットスターラを用いて90℃で20分加熱する。これによって得られた青色溶液を氷水で1時間冷却する。そして、冷やした溶液(20mL)に3M硝酸(HNO3)を滴下してpH1に調整し、80分撹拌し、酸化イリジウム(IrOx)のナノコロイド水溶液を得る。さらに、この溶液に1.5wt%NaOH水溶液(1〜2mL)を滴下してpH12に調整する。このようにして得られた酸化イリジウム(IrOx)のナノコロイド水溶液を、導電層上にpH12で塗布し、乾燥炉内において60℃で40分間保持して乾燥させる。乾燥後、析出した塩を超純水で洗浄し、アノード電極を形成することができる。なお、酸化イリジウム(IrOx)のナノコロイド水溶液の塗布および乾燥を複数回繰り返してもよい。 For example, iridium oxide (IrOx) nanocolloids are synthesized. Next, a yellow solution adjusted to pH 13 by adding a 10 wt% sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution to 50 mL of a 2 mM potassium iridium (IV) chloride (K 2 IrCl 6 ) aqueous solution was prepared at 90 ° C. using a hot stirrer. Heat for 20 minutes. The blue solution thus obtained is cooled with ice water for 1 hour. Then, 3M nitric acid (HNO 3 ) is added dropwise to the cooled solution (20 mL) to adjust the pH to 1, and the mixture is stirred for 80 minutes to obtain a nanocolloidal aqueous solution of iridium oxide (IrOx). Further, a 1.5 wt% NaOH aqueous solution (1 to 2 mL) is added dropwise to this solution to adjust the pH to 12. The nanocolloidal aqueous solution of iridium oxide (IrOx) thus obtained is applied onto the conductive layer at pH 12, and held in a drying oven at 60 ° C. for 40 minutes for drying. After drying, the precipitated salt can be washed with ultrapure water to form an anode electrode. The application and drying of the nanocolloidal aqueous solution of iridium oxide (IrOx) may be repeated a plurality of times.
電解液に含まれる反応基質は、例えば、炭素化合物が挙げられ、例えば、二酸化炭素(CO2)とすることができる。また、電解液は、リン酸緩衝水溶液やホウ酸緩衝水溶液とすることが好適である。具体的な構成例では、例えば、二酸化炭素(CO2)飽和リン酸緩衝液のタンクを設け、ポンプによってこの溶液を負極と正極の表面に供給し、還元反応によって生じたギ酸(HCOOH)や酸素(O2)等を外部の燃料タンクに回収する。 Examples of the reaction substrate contained in the electrolytic solution include carbon compounds, and for example, carbon dioxide (CO 2 ). Further, the electrolytic solution is preferably a phosphate buffered aqueous solution or a boric acid buffered aqueous solution. In a specific configuration example, for example, a tank of a carbon dioxide (CO 2 ) saturated phosphate buffer solution is provided, and this solution is supplied to the surfaces of the negative electrode and the positive electrode by a pump, and formic acid (HCOOH) and oxygen generated by the reduction reaction are generated. (O 2 ) etc. are collected in an external fuel tank.
収容部18は、アノード電極12およびカソード電極14を支持するとともに、電解液が流れる流路16を構成する部材である。収容部18は、電気化学反応装置をセルとして構成するために必要な機械的な強度を備える材料で構成される。例えば、収容部は、金属、プラスチック等によって構成することができる。 The accommodating portion 18 is a member that supports the anode electrode 12 and the cathode electrode 14 and constitutes a flow path 16 through which the electrolytic solution flows. The housing 18 is made of a material having the mechanical strength required to form the electrochemical reactor as a cell. For example, the accommodating portion can be made of metal, plastic, or the like.
アノード電極12とカソード電極14との間にセパレータを備えてもよい。セパレータは、液体と気体を分離し、プロトンを移動可能とする材料のものであればよく、特に制限はないが、例えば、固体高分子電解膜であるナフィオン(登録商標)等を使用することができる。 A separator may be provided between the anode electrode 12 and the cathode electrode 14. The separator may be a material that separates liquid and gas and allows protons to move, and is not particularly limited. For example, Nafion (registered trademark), which is a solid polymer electrolyte membrane, may be used. it can.
アノード電極12とカソード電極14との間に上記2接合薄膜太陽電池を接続することによって適切なバイアス電圧を印加した状態とすればよい。バイアス電圧を印加する手段として太陽電池を用いることにより、電気化学反応装置と、電気化学反応装置のアノード電極12およびカソード電極14に供給される電力を生成する太陽電池と、を備える人工光合成セルとすることができる。2接合薄膜太陽電池10は、例えば、電気化学反応装置のアノード電極12およびカソード電極14に隣接して配置することができる。例えば、図5に示すように、電気化学反応装置のカソード電極14の背面に2接合薄膜太陽電池10を配置し、2接合薄膜太陽電池10の正極をアノード電極12に接続し、2接合薄膜太陽電池10の負極をカソード電極14に接続すればよい。 By connecting the two-junction thin-film solar cell between the anode electrode 12 and the cathode electrode 14, an appropriate bias voltage may be applied. An artificial photosynthetic cell comprising an electrochemical reactor by using a solar cell as a means of applying a bias voltage, and a solar cell that generates power to be supplied to the anode electrode 12 and the cathode electrode 14 of the electrochemical reactor. can do. The two-junction thin-film solar cell 10 can be arranged adjacent to the anode electrode 12 and the cathode electrode 14 of the electrochemical reactor, for example. For example, as shown in FIG. 5, a 2-junction thin-film solar cell 10 is arranged on the back surface of the cathode electrode 14 of the electrochemical reactor, the positive electrode of the 2-junction thin-film solar cell 10 is connected to the anode electrode 12, and the 2-junction thin-film solar cell 10 is connected. The negative electrode of the battery 10 may be connected to the cathode electrode 14.
以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
アノード電極/カソード電極の電流−電圧特性の実験結果と、2接合薄膜太陽電池(実施例)および3接合アモルファスシリコン系太陽電池(比較例)の電流−電圧特性モデルを用いて、これらを組み合わせて水上または水中にて使用したときの動作電流を計算し、太陽電池材料のバンドギャップの最適値を求めた。この際、AM1.5G太陽光スペクトルを用い、水中使用の場合については水による光吸収を考慮した。 Using the experimental results of the current-voltage characteristics of the anode electrode / cathode electrode and the current-voltage characteristic models of the 2-junction thin-film solar cell (Example) and the 3-junction amorphous silicon-based solar cell (Comparative Example), these are combined. The operating current when used on or under water was calculated, and the optimum value of the band gap of the solar cell material was obtained. At this time, the AM1.5G solar spectrum was used, and light absorption by water was taken into consideration in the case of underwater use.
対向型セルでは、アモルファスシリコン系3接合素子の電流密度(電圧2.0Vにおいて動作電流6.5mA/cm2、以下同様)に比べて、2接合薄膜太陽電池(バンドギャップ1.42/1.96eV,動作電流13.6mA/cm2)を用いると、より大きい動作電流が得られた。 In the opposed cell, the current density of the amorphous silicon-based 3-junction element (operating current 6.5 mA / cm 2 at a voltage of 2.0 V, the same applies hereinafter) is compared with the 2-junction thin-film solar cell (bandgap 1.42 / 1. When 96 eV and an operating current of 13.6 mA / cm 2 ) were used, a larger operating current was obtained.
一体型セルでは、アモルファスシリコン系3接合素子の電流密度(水深1,10cm、電圧2.0Vにおいてそれぞれ動作電流6.4,5.9mA/cm2、以下同様)に比べて、2接合薄膜太陽電池(水深1cmにてバンドギャップ1.42/1.97eV,動作電流13.5mA/cm2;水深10cmにてバンドギャップ1.42/2.01eV,動作電流12.7mA/cm2)を用いると、より大きい動作電流が得られた。 In the integrated cell, the current density of the amorphous silicon-based 3-junction element (operating current 6.4, 5.9 mA / cm 2 at a water depth of 1,10 cm and a voltage of 2.0 V, respectively, the same applies hereinafter) is compared with the 2-junction thin-film solar cell. Use a battery (band gap 1.42 / 1.97 eV at water depth 1 cm, operating current 13.5 mA / cm 2 ; band gap 1.42 / 2.01 eV at water depth 10 cm, operating current 12.7 mA / cm 2 ). And a larger operating current was obtained.
計算方法と結果の詳細は、以下の通りである。 The details of the calculation method and the result are as follows.
有機無機ハイブリッドペロブスカイト、CdS、CuInSe2(CIGS系)などを用いた太陽電池では20%前後の高い変換効率が得られている。そこで、これら材料を用いた2接合太陽電池を用いて人工光合成セルを構成することを想定し、太陽電池材料の適切なバンドギャップと、その際に得られる反応電流を求めた。 A solar cell using an organic-inorganic hybrid perovskite, CdS, CuInSe 2 (CIGS system) or the like has obtained a high conversion efficiency of about 20%. Therefore, assuming that an artificial photosynthesis cell is constructed using a two-junction solar cell using these materials, an appropriate band gap of the solar cell material and a reaction current obtained at that time were determined.
[計算方法]
上記の通り、人工光合成の動作のためには約2.0〜2.4Vの電圧が必要である。図1にその例を示す。図1(a),1(b)はそれぞれIrOxアノード、Ru錯体+カーボンペーパー+カーボンナノチューブカソードを、Pt対極と組み合わせて、0.4Mリン酸バッファー電解液にCO2をバブリングした中で測定した電流密度−電位曲線である。これらを、直流電源を介して両者を接続したときの電流密度(J)−電圧(V)曲線に換算した結果が図1(c)である。これを用いて、電圧が2.0〜2.4Vの範囲でなるべく大電流が得られるような光電荷分離素子の構成を求める。非特許文献2,3,5のセルの何れの場合も、太陽電池とアノード/カソードの面積は等しいことが前提である。これらが等しくない場合については最後に述べる。
[Method of calculation]
As mentioned above, a voltage of about 2.0 to 2.4 V is required for the operation of artificial photosynthesis. An example is shown in FIG. FIGS. 1 (a) and 1 (b) were measured in a combination of IrOx anode and Ru complex + carbon paper + carbon nanotube cathode with Pt counter electrode and bubbling CO 2 in 0.4 M phosphate buffer electrolytic solution, respectively. It is a current density-potential curve. FIG. 1 (c) shows the result of converting these into a current density (J) -voltage (V) curve when both are connected via a DC power supply. Using this, a configuration of a light charge separation element is obtained so that a voltage as large as possible can be obtained in the range of 2.0 to 2.4 V. In all of the cells of Non-Patent Documents 2, 3 and 5, it is assumed that the area of the solar cell and the anode / cathode are the same. The case where these are not equal will be described at the end.
理想的な単接合太陽電池のJ−Vは、以下の式(1)により表される(非特許文献7,8参照)。 The JV of an ideal single-junction solar cell is represented by the following equation (1) (see Non-Patent Documents 7 and 8).
ここで、εgは素子中の光吸収材料のバンドギャップ、nsun(ε)は太陽光の単位光子エネルギーあたりの光子数、Tは温度である。q,h,c,kBはそれぞれ電荷素量、プランク定数、真空中の光速度、ボルツマン定数である。右辺第1項は光吸収によるキャリアの発生を表し、バンドギャップ以上のエネルギーをもつ光子はすべて吸収されキャリア発生につながることが仮定されている。素子に電圧が印加されるとLEDとして動作するので発光が生じ、これは太陽光発電の目的にとっては損失となることを表したものが第2項である。ここには、熱平衡状態にある黒体からの輻射を表すプランクの法則を、半導体、電圧印加の場合に拡張した、一般化されたプランクの法則が用いられている(非特許文献9参照)。素子の電力密度Pは、P=J×Vであり、Vの関数としてのPの最大値と入射光エネルギーとの比が変換効率ηである。式(1)には、発電機構の中から原理的に解消することができない発光(輻射再結合)による損失のみが考慮されているので、この式から得られる変換効率は「radiative limit」と呼ばれる。 Here, ε g is the band gap of the light absorbing material in the element, n sun (ε) is the number of photons per unit photon energy of sunlight, and T is the temperature. q, h, c, and k B are elementary charges, Planck's constant, speed of light in vacuum, and Boltzmann's constant, respectively. The first term on the right side represents the generation of carriers due to light absorption, and it is assumed that all photons with energies above the bandgap are absorbed and lead to carrier generation. When a voltage is applied to the element, it operates as an LED and thus emits light, which is a loss for the purpose of photovoltaic power generation. Here, Planck's law, which expresses radiation from a blackbody in a thermal equilibrium state, is extended to the case of semiconductors and voltage application, and generalized Planck's law is used (see Non-Patent Document 9). The power density P of the element is P = J × V, and the ratio of the maximum value of P as a function of V to the incident light energy is the conversion efficiency η. Since only the loss due to light emission (radiative recombination) that cannot be eliminated in principle from the power generation mechanism is considered in the equation (1), the conversion efficiency obtained from this equation is called "radiative limit". ..
実際には、輻射再結合以外の様々な損失があり、さらにバンドギャップよりも高エネルギーの光子であっても一部は発電層に吸収されない(反射および透過)。これらの素子の特性を低下させる現実的な影響を以下のようにして取り入れる。式(1)中のボーズ・アインシュタイン分布関数をボルツマン分布関数により近似し、さらにkBT<<εgの関係を用いると、式(1)は次の式(2)のように近似される。 In reality, there are various losses other than radiation recombination, and even photons with higher energies than the bandgap are not partially absorbed by the generation layer (reflection and transmission). Realistic effects that reduce the characteristics of these devices are incorporated as follows. Bose-Einstein distribution function in equation (1) is approximated by a Boltzmann distribution function, further use of the relation of k B T << ε g, and are approximated by the equation (1) This expression (2) ..
現実的な素子の動作を表すために、次の表式(3)を用いる。 The following equation (3) is used to represent a realistic device operation.
式(3)の右辺第1項中のAは、吸収光子数が理想的な場合よりも少ないことを表す。第2項中のBは、非輻射過程を含めた再結合損失の大きさを表す比例係数である。Tvは再結合損失の電圧依存性を決める仮想温度であり、通常ダイオードの特性を示すn値に相当する。2接合素子の特性は、ボトムセル、トップセルのバンドギャップをそれぞれεg1,εg2とすると、
より求められる。
A in the first term on the right side of the equation (3) indicates that the number of absorbed photons is smaller than in the ideal case. B in the second term is a proportional coefficient representing the magnitude of the recombination loss including the non-radiative process. Tv is a virtual temperature that determines the voltage dependence of the recombination loss, and usually corresponds to the n value indicating the characteristics of the diode. The characteristics of the two-junction element are based on the assumption that the band gaps of the bottom cell and top cell are ε g1 and ε g2 , respectively.
More demanded.
薄膜太陽電池の特性を表すため、式(3),(4)にA=0.92,B=5,Tv=500Kを代入して計算した。太陽光スペクトルと強度には標準条件であるAM1.5G,100mW/cm2を用いた(非特許文献10参照)。計算結果を、変換効率が世界最高値の素子の特性と合わせて表1にまとめる(非特許文献6参照)。両者がおおよそ一致することを確認したので、このA,B,Tvを用いて2接合太陽電池の特性を計算した。表1に、薄膜太陽電池の変換効率の最高値およびそのときの特性(各欄の上段)と(非特許文献6参照)、式(3)(A=0.92,B=5,Tv=500K)により求められる特性(各欄の下段)の比較を示す。 To represent the characteristics of the thin film solar cell, the formula (3) was calculated by substituting A = 0.92, B = 5, T v = 500K to (4). The standard conditions of AM1.5G and 100mW / cm 2 were used for the sunlight spectrum and intensity (see Non-Patent Document 10). The calculation results are summarized in Table 1 together with the characteristics of the device having the highest conversion efficiency in the world (see Non-Patent Document 6). Since it was confirmed that they coincide roughly, this A, B, and calculating the characteristic of the two-junction solar cell using a T v. Table 1, the maximum value and properties (each column top) (see Non-Patent Document 6) at that time of the conversion efficiency of a thin-film solar cells, Equation (3) (A = 0.92, B = 5, T v = 500K) shows a comparison of the characteristics (lower part of each column).
非特許文献2のFig.3(B)、非特許文献3のFig.2(A)のような一体型セルは、上記の通り水中にて用いられるので、水による太陽光の吸収を考慮しなければならない。図2(a)は水の吸収スペクトルである(非特許文献11参照)。波長700nm以下の可視光はほとんど吸収されないが、700nm以上では吸収の影響が顕著になる。水中を透過して一体型セルに達する透過率は水深によって変化する。ここでは小型の素子を極力浅い場所に設置した場合、および1m程度の大型の素子を、多少傾いたり風を受けたりしても水面下となるように設置した場合を想定し、それぞれ水深1cm,10cmに設定し、AM1.5G,100mW/cm2スペクトルに図2(b)の透過率(水深1cmおよび水深10cmまでの光透過率)をかけた値を式(3),(4)のnsun(ε)に用いた。 Fig. of Non-Patent Document 2. 3 (B), Fig. Since the integrated cell such as 2 (A) is used in water as described above, the absorption of sunlight by water must be considered. FIG. 2A is an absorption spectrum of water (see Non-Patent Document 11). Visible light with a wavelength of 700 nm or less is hardly absorbed, but the effect of absorption becomes remarkable at 700 nm or more. The transmittance that penetrates water and reaches the integrated cell changes depending on the water depth. Here, assuming that a small element is installed in a shallow place as much as possible, and a large element of about 1 m is installed so that it is below the water surface even if it is slightly tilted or receives wind, the water depth is 1 cm, respectively. Set to 10 cm, and multiply the 2 spectra of AM1.5G, 100 mW / cm by the transmittance of FIG. 2 (b) (light transmittance up to a water depth of 1 cm and a water depth of 10 cm) to obtain n in equations (3) and (4). Used for sun (ε).
これまでに一体型セル、対向型セルに用いられたアモルファスシリコン系3接合素子の場合は(非特許文献1〜5参照)、実際に得られる特性と「radiative limit」の特性との差がさらに大きい。最大出力となる電圧が2Vを超えるアモルファスシリコン/アモルファスシリコン/微結晶シリコン3接合素子の特性が非特許文献12のFig.4,6に示されている。この場合、キャリアの拡散長が結晶に比べて短いことから各接合の厚さが制約される。その結果、長波長側の光吸収率が徐々に低下するので、量子効率も低下する。本来は、各接合の特性を表すようなJ−V特性の式を導出し、それに基づいて水の光吸収の影響を計算するべきである。ただし、アモルファス太陽電池の場合、pin構造により形成される電位差によって生じるキャリアのドリフトの効果が大きいため、そのJ−V特性は式(3)により表すことができない。一方、非特許文献12のFig.4に示される量子効率スペクトルをもつ素子をそのまま水中にて用いれば、入射光の長波長成分が水により吸収される影響によりボトムセルの電流のみが低下するため、電流整合条件が成り立たなくなるので効率が大きく低下するものの、この低下はトップ、ボトムセルの厚さを調整すれば容易に解消される。そこで、水上に設置された場合の電流値Jは非特許文献12のFig.6に示されるJ−V特性から読み取り、水中の場合については、図2(b)の水の光透過率と非特許文献12のFig.4の量子効率スペクトルから吸収光子数を求め、これにJが比例すると仮定して近似値を求めた。 In the case of amorphous silicon-based 3-junction elements used for integrated cells and opposed cells (see Non-Patent Documents 1 to 5), the difference between the actually obtained characteristics and the characteristics of "radiative limit" is further increased. large. Fig. 12 of Non-Patent Document 12 describes the characteristics of an amorphous silicon / amorphous silicon / microcrystalline silicon 3-junction element having a maximum output voltage of more than 2 V. It is shown in 4 and 6. In this case, since the diffusion length of the carrier is shorter than that of the crystal, the thickness of each junction is restricted. As a result, the light absorption rate on the long wavelength side gradually decreases, so that the quantum efficiency also decreases. Originally, the formula of JV characteristic that expresses the characteristic of each junction should be derived, and the influence of light absorption of water should be calculated based on it. However, in the case of an amorphous solar cell, the effect of carrier drift caused by the potential difference formed by the pin structure is large, so that the JV characteristic cannot be expressed by the equation (3). On the other hand, Fig. If the element having the quantum efficiency spectrum shown in 4 is used as it is in water, only the current of the bottom cell is reduced due to the influence of the long wavelength component of the incident light being absorbed by water, so that the current matching condition is not satisfied and the efficiency is improved. Although it decreases significantly, this decrease can be easily eliminated by adjusting the thickness of the top and bottom cells. Therefore, the current value J when installed on water is determined by Fig. Read from the JV characteristics shown in 6, and in the case of underwater, the light transmittance of water in FIG. 2 (b) and Fig. The number of absorbed photons was obtained from the quantum efficiency spectrum of 4, and an approximate value was obtained assuming that J was proportional to this.
[結果および考察]
以下に変換効率および電流値の計算結果と、バンドギャップの最適値を示す。対向型セルに用いられ、水の光吸収の影響がない場合の素子の設置状態を、水中に設置される一体型セルの場合との対比を表すために、水上、あるいは水深0cmと呼ぶことにする。
[Results and Discussion]
The calculation results of conversion efficiency and current value and the optimum value of the band gap are shown below. The installation state of the element, which is used for the facing cell and is not affected by the light absorption of water, is called on the water or at a depth of 0 cm in order to show the comparison with the case of the integrated cell installed in the water. To do.
<比較例>
(アモルファスシリコン系3接合素子)
アモルファスシリコン系3接合素子を最適化した場合に得られる特性を表2にまとめる。変換効率η(電力密度Pの最大値と入射光強度との比。入射光エネルギーが100mW/cm2であるため、η(%)の数値がそのままPの最大値(mW/cm2)に一致する。)、および人工光合成用光電荷分離素子の性能の目安である、電圧V=2.0,2.2,2.4Vにおける電流密度Jを示す。表2の空欄は電流密度Jが負になることを示す。
<Comparison example>
(Amorphous silicon-based 3-junction element)
Table 2 summarizes the characteristics obtained when the amorphous silicon-based 3-junction element is optimized. Conversion efficiency η (ratio of maximum power density P to incident light intensity. Since the incident light energy is 100 mW / cm 2 , the value of η (%) directly matches the maximum value of P (mW / cm 2 ). The current density J at a voltage V = 2.0, 2.2, 2.4 V, which is a measure of the performance of the photocharge separation element for artificial photosynthesis, is shown. The blanks in Table 2 indicate that the current density J is negative.
変換効率ηは、η=13.6%である。V=2Vにおける電流密度JはJ=6.5mA/cm2であるものの、V=2.2VではJ=2.9mA/cm2にまで低下し、さらにV=2.4Vを得ることはできない。 The conversion efficiency η is η = 13.6%. Although the current density J in V = 2V is J = 6.5mA / cm 2, reduced to V = 2.2V In J = 2.9mA / cm 2, it is impossible to obtain a further V = 2.4V ..
<実施例>
(2接合薄膜太陽電池)
次に、2接合素子を用いてV=2.0〜2.4Vを得るための条件を考える。先に示したA=0.92,B=5,Tv=500Kを用いた2接合素子の計算結果を図3に示す。図3は、薄膜多結晶2接合素子の特性に与えるトップセル、ボトムセルのバンドギャップ(εg1,εg2)の影響を示す。等高線は変換効率(η)1%あるいは電流密度(J)1mA/cm2毎に描かれており、最も内側の等高線のη,Jの値が図中に示されている。図4には、薄膜多結晶2接合素子の特性を示す。(a)〜(j)はそれぞれ表3に示されるバンドギャップの素子の結果である。表3には、薄膜多結晶2接合素子の特性を示す。バンドギャップは、表中の*の項目の値が最大となるようそれぞれ最適化された。表3の空欄は電流密度Jが負になることを示す。
<Example>
(2-junction thin-film solar cell)
Next, consider the conditions for obtaining V = 2.0 to 2.4V using a two-junction element. FIG. 3 shows the calculation results of the two-junction element using A = 0.92, B = 5, Tv = 500K shown above. FIG. 3 shows the influence of the band gaps (ε g1 , ε g2 ) of the top cell and the bottom cell on the characteristics of the thin film polycrystalline two-junction device. The contour lines are drawn every 1% of conversion efficiency (η) or 1 mA / cm 2 of current density (J), and the values of η and J of the innermost contour lines are shown in the figure. FIG. 4 shows the characteristics of the thin film polycrystalline two-junction device. (A) to (j) are the results of the bandgap elements shown in Table 3, respectively. Table 3 shows the characteristics of the thin film polycrystalline 2-junction device. The bandgap was optimized so that the value of the * item in the table was maximized. The blanks in Table 3 indicate that the current density J is negative.
図3(a)には水上にある素子の変換効率ηがボトムセル、トップセルのバンドギャップεg1,εg2の関数として示されている。図の対角線に近い等高線の尾根が、ボトムセルとトップセルの電流整合条件、すなわち発生する電流密度が一致する条件、近似的には、両者により吸収される光子数が一致する条件である。右下の領域はεg1>εg2であるため、入射光は全てトップセルにより吸収されボトムセルに達しないので発電しない。ηの最高値はη=28.7%であり、εg1=1.12eV,εg2=1.74Vのときに得られる(表3)。このときのJ−V曲線(図4(a))からわかるように、短絡電流密度は19.7mA/cm2である。 In FIG. 3A, the conversion efficiency η of the element on the water is shown as a function of the band gaps ε g1 and ε g2 of the bottom cell and the top cell. The contour ridges near the diagonals in the figure are the current matching conditions for the bottom cell and top cell, that is, the conditions under which the generated current densities match, or approximately the conditions under which the number of photons absorbed by both matches. Since the lower right region is ε g1 > ε g2 , all the incident light is absorbed by the top cell and does not reach the bottom cell, so no power is generated. The maximum value of η is η = 28.7%, which is obtained when ε g1 = 1.12 eV and ε g2 = 1.74 V (Table 3). As can be seen from the JV curve (FIG. 4A) at this time, the short-circuit current density is 19.7 mA / cm 2 .
非特許文献5のような対向型セルに用いることを想定し、水の光吸収の影響がない場合のV=2.0〜2.4Vにおける電流密度Jを計算した結果が図3(b)〜(d)である。各VについてJが最大となるようなバンドギャップの組み合わせと、そのときのJおよび電力密度Pを表3にまとめる。それぞれについてのJ−V曲線は図4に示されている。図3(b)〜(d)において、開放端電圧が2Vに満たない場合には、J=0として表示されている。εg2が大きい領域でJがεg1に依存しないのは、Jがεg2によって制限されるからである。左下は開放端電圧がV=2.0〜2.4Vに満たない領域である。V=2.0Vにおける電流密度Jが最大となるのは、εg1=1.42eV,εg2=1.96V、すなわち先に示したηが最大となるように最適化された場合よりもそれぞれ0.2〜0.3eV大きいときであり、その最大値はJ=13.6mA/cm2である。これはアモルファスシリコン系3接合素子を用いた場合の6.5mA/cm2の2倍以上の値である。このときの太陽電池の変換効率は27.2%であり、図3(a)に示されている変換効率が最大になるように最適化したときの値(28.7%)よりも低いが、人工光合成反応に用いる際にはこちらの方がふさわしいと言える。V=2.2,2.4VについてのJの計算結果がそれぞれ図3(c),3(d)である。Jの最大値はそれぞれJ=11.6,9.9mA/cm2であり、アモルファスシリコン系3接合素子の場合ほど大きくは低下しないので、アモルファスシリコン系3接合素子に比べた優位性はより大きい。 The result of calculating the current density J at V = 2.0 to 2.4 V when there is no influence of water absorption on the assumption that it is used for a facing cell as in Non-Patent Document 5 is shown in FIG. 3 (b). ~ (D). Table 3 summarizes the combinations of band gaps that maximize J for each V, and J and power density P at that time. The JV curves for each are shown in FIG. In FIGS. 3B to 3D, when the open end voltage is less than 2V, it is displayed as J = 0. In the region where ε g2 is large, J does not depend on ε g1 because J is limited by ε g2 . The lower left is the region where the open end voltage is less than V = 2.0 to 2.4V. The current density J at V = 2.0V is maximized than when ε g1 = 1.42 eV and ε g2 = 1.96 V, that is, when η shown above is optimized to be maximum. When it is 0.2 to 0.3 eV larger, the maximum value is J = 13.6 mA / cm 2 . This is more than twice the value of 6.5 mA / cm 2 when an amorphous silicon-based 3-junction element is used. The conversion efficiency of the solar cell at this time is 27.2%, which is lower than the value (28.7%) when optimized to maximize the conversion efficiency shown in FIG. 3 (a). , It can be said that this is more suitable when used for artificial photosynthesis reaction. The calculation results of J for V = 2.2 and 2.4V are shown in FIGS. 3 (c) and 3 (d), respectively. The maximum values of J are J = 11.6 and 9.9 mA / cm 2 , respectively, and they do not decrease as much as in the case of the amorphous silicon-based 3-junction element, so the superiority compared to the amorphous silicon-based 3-junction element is greater. ..
非特許文献2のFig.3(B)、非特許文献3のFig.2(A)のような一体型セルに用いられる場合を想定した、水深1cmにある場合の結果が図3(e)〜(g)、表3、および図4である。表3に示されるように、水上使用に対して最適化されたボトムセルのバンドギャップは1.42/1.65eV(873〜751nm)であるから、そのまま用いても水の光吸収の影響は小さい。そのため、水深1cmの場合のバンドギャップの最適値もその特性もほとんど変わらず、アモルファスシリコン系3接合素子に比べて優れた特性が維持される。 Fig. of Non-Patent Document 2. 3 (B), Fig. The results when the water depth is 1 cm are shown in FIGS. 3 (e) to 3 (g), Table 3 and FIG. 4, assuming that the cell is used for an integrated cell such as 2 (A). As shown in Table 3, the bandgap of the bottom cell optimized for water use is 1.42 / 1.65 eV (873 to 751 nm), so that the effect of water absorption is small even if it is used as it is. .. Therefore, the optimum value of the band gap and its characteristics when the water depth is 1 cm are almost the same, and excellent characteristics are maintained as compared with the amorphous silicon-based 3-junction element.
水深10cmにある場合の結果は、図3(h)〜(j)、表3、および図4に示されている。この場合は、長波長光の水による吸収の影響が現れるので、水上および水深1cmの場合と比べて電流整合の条件が変化し、バンドギャップの最適値が大きく、Jは小さくなる。ただし、Jの低下量(10cm/0cmの比)はアモルファスシリコン系3接合素子よりも小さいので、優位性はさらに大きいと言える。 The results when the water depth is 10 cm are shown in FIGS. 3 (h) to (j), Table 3 and FIG. In this case, since the influence of absorption of long-wavelength light by water appears, the current matching conditions change as compared with the case of water and water depth of 1 cm, the optimum value of the band gap is large, and J is small. However, since the amount of decrease in J (ratio of 10 cm / 0 cm) is smaller than that of the amorphous silicon-based 3-junction element, it can be said that the superiority is further increased.
ここまでは太陽電池とアノード/カソードの面積が等しい場合について検討した。アノード/カソードの活性に応じて両者の面積比を変更したり、また、図7に、相互貫入電極を用いた一体型人工光合成セルを示すが、図7のように太陽電池の片面にアノード/カソードの相互貫入電極を設けて、水中あるいは水面(セルが水面に浮かんでいて、太陽電池は水に浸漬されていないが、アノード、カソードは水に接している。)にあるものとしてもよい。この場合も、アノード−カソードの電位差の要件は面積が等しい場合と同じであるから、3接合アモルファスシリコン系太陽電池に替えて、適切なバンドギャップをもつ2接合薄膜太陽電池を用いることにより、大きい動作電流を得ることができる。 So far, we have examined the case where the area of the solar cell and the anode / cathode are the same. The area ratio of the two can be changed according to the activity of the anode / cathode, and FIG. 7 shows an integrated artificial photosynthetic cell using a mutual penetration electrode. As shown in FIG. 7, the anode / on one side of the solar cell. Mutual penetration electrodes of the cathodes may be provided and may be in water or on the surface of the water (the cell is floating on the surface of the water and the solar cell is not immersed in the water, but the anode and the cathode are in contact with the water). In this case as well, the requirements for the potential difference between the anode and the cathode are the same as when the areas are the same. Therefore, by using a 2-junction thin-film solar cell having an appropriate bandgap instead of the 3-junction amorphous silicon solar cell, it is large. The operating current can be obtained.
以上の通り、実施例により、人工光合成の変換効率を向上することができる、太陽電池を用いた人工光合成セルが得られることがわかった。 As described above, it was found that an artificial photosynthesis cell using a solar cell, which can improve the conversion efficiency of artificial photosynthesis, can be obtained from the examples.
1,3,5 人工光合成セル、10 2接合薄膜太陽電池、12 正極(アノード電極)、14 負極(カソード電極)、16 流路、18 収容部、20 容器。 1,3,5 Artificial photosynthesis cell, 102-junction thin-film solar cell, 12 positive electrode (anode electrode), 14 negative electrode (cathode electrode), 16 flow paths, 18 accommodating parts, 20 containers.
Claims (7)
前記2接合薄膜太陽電池は、
ボトムセルが、(FA1−xMA1−x’Csx+x’)(Pb1−ySny)I、0≦x+x’≦1、0≦y≦1の組成を有し、
トップセルが、(FA1−xMA1−x’Csx+x’)(I1−zBrz)3、0≦x+x’≦1、0.4≦z≦1の組成を有する有機無機ハイブリッドペロブスカイトを含んで構成される光電変換層を有することを特徴とする人工光合成セル。 The artificial photosynthesis cell according to claim 1.
The two-junction thin-film solar cell is
The bottom cell has a composition of (FA 1-x MA 1- x 'Cs x + x') (Pb 1-y Sn y) I, 0 ≦ x + x '≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,
The top cell is an organic-inorganic hybrid perovskite having a composition of (FA 1-x MA 1- x'Cs x + x' ) (I 1-z Br z ) 3 , 0 ≦ x + x'≦ 1, 0.4 ≦ z ≦ 1. An artificial photosynthesis cell characterized by having a photoelectric conversion layer comprising the above.
前記2接合薄膜太陽電池は、
ボトムセルが、Cu(In1−xGax)Se2、0≦x≦1の組成を有し、
トップセルが、Cu(In1−x’Alx’)Se2、0.9≦x’≦1の組成を有するCIGS系化合物を含んで構成される光電変換層を有することを特徴とする人工光合成セル。 The artificial photosynthesis cell according to claim 1.
The two-junction thin-film solar cell is
The bottom cell has a composition of Cu (In 1-x Ga x ) Se 2 , 0 ≦ x ≦ 1.
The artificial top cell is characterized by having a photoelectric conversion layer composed of a CIGS-based compound having a composition of Cu (In 1- x'Al x' ) Se 2 and 0.9 ≦ x'≦ 1. Photosynthesis cell.
前記2接合薄膜太陽電池は、
ボトムセルが、Cu2ZnSn(S1−xSex)4、0≦x≦1の組成を有し、
トップセルが、Cu2Zn(Sn1−x’Gex’)S4、0.6≦x’≦1の組成を有するCGTS系化合物を含んで構成される光電変換層を有することを特徴とする人工光合成セル。 The artificial photosynthesis cell according to claim 1.
The two-junction thin-film solar cell is
Bottom cell, Cu 2 ZnSn (S 1- x Se x) 4, 0 has the composition ≦ x ≦ 1,
The top cell is characterized by having a photoelectric conversion layer composed of a CGTS-based compound having a composition of Cu 2 Zn (Sn 1- x'Gex ' ) S 4 and 0.6 ≦ x'≦ 1. Artificial photosynthesis cell.
前記2接合薄膜太陽電池は、
ボトムセルが、Cu2Zn(Sn1−xGex)S4、0≦x≦0.8の組成を有し、
トップセルが、Cu2Zn(Sn1−x’Gex’)S4、0.6≦x’≦1、ただしx’<xの組成を有するCGTS系化合物を含んで構成される光電変換層を有することを特徴とする人工光合成セル。 The artificial photosynthesis cell according to claim 1.
The two-junction thin-film solar cell is
The bottom cell has a composition of Cu 2 Zn (Sn 1-x Ge x ) S 4 , 0 ≦ x ≦ 0.8.
The top cell is a photoelectric conversion layer composed of Cu 2 Zn (Sn 1- x'Ge x' ) S 4 , 0.6 ≤ x'≤ 1, but containing a CGTS-based compound having a composition of x'<x. An artificial photosynthetic cell characterized by having.
前記2接合薄膜太陽電池は、
ボトムセルが、Cu2Zn(Sn1−xGex)Se4、0.3≦x≦1.0の組成を有し、
トップセルが、Cu2Zn(Sn1−x’Gex’)S4、0.6≦x’≦1の組成を有するCGTS系化合物を含んで構成される光電変換層を有することを特徴とする人工光合成セル。 The artificial photosynthesis cell according to claim 1.
The two-junction thin-film solar cell is
The bottom cell has a composition of Cu 2 Zn (Sn 1-x Ge x ) Se 4 , 0.3 ≦ x ≦ 1.0.
The top cell is characterized by having a photoelectric conversion layer composed of a CGTS-based compound having a composition of Cu 2 Zn (Sn 1- x'Gex ' ) S 4 and 0.6 ≦ x'≦ 1. Artificial photosynthesis cell.
前記2接合薄膜太陽電池は、
ボトムセルが、Cu2(Sn1−xGex)S3、0.3≦x≦1.0の組成を有し、
トップセルが、Cu2Zn(Sn1−x’Gex’)S4、0.6≦x’≦1の組成を有するCGTS系化合物を含んで構成される光電変換層を有することを特徴とする人工光合成セル。 The artificial photosynthesis cell according to claim 1.
The two-junction thin-film solar cell is
The bottom cell has a composition of Cu 2 (Sn 1-x Ge x ) S 3 , 0.3 ≦ x ≦ 1.0.
The top cell is characterized by having a photoelectric conversion layer composed of a CGTS-based compound having a composition of Cu 2 Zn (Sn 1- x'Gex ' ) S 4 and 0.6 ≦ x'≦ 1. Artificial photosynthesis cell.
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