CN102812159A - 氢气产生装置和氢气产生方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种氢气产生装置，其在光利用效率上高，并且能够以高效率来产生氢气，而不降低氢气产生速率。根据本发明的氢气产生装置包括：光电转换部分，其具有光接受表面和背表面；第一气体产生部分和第二气体产生部分，它们被设置在所述背表面上，其中，所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分之一是氢气产生部分，用于从电解液产生H2，其另一个是氧气产生部分，用于从所述电解液产生O2，所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分的至少一个是多个，并且，所述光电转换部分电连接到所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分，以便所述光电转换部分接受光时产生的电动势被供应到所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分。
Description
技术领域
本发明涉及氢气产生装置和用于产生氢气的方法。
背景技术
近来，预期鉴于化石燃料资源的穷尽和全球温室气体的排放限制而使用可再生能量。从各种资源产生可再生能量，所述各种资源例如是日光、水力发电、风力发电、地热、潮汐发电和生物量，其中，因为日光与其他可再生能源相比在可利用能量上量大并且在地理限制上较小，所以预期开发用于从日光有效地产生可利用能量并且变得在早期被广泛使用的技术。
从日光产生的可利用能量包括由太阳能电池或太阳能热涡轮产生的电能、通过向热介质收集太阳能而产生的热能和通过使用日光还原物质而产生的可存储燃料能量，该可存储燃料能量例如是液体燃料或氢气。虽然许多太阳能电池技术和太阳能热利用技术已经被投入实用，但是这些技术正在被开发以改善，因为能量利用效率仍然较低，并且用于产生电和热的成本仍然较高。此外，虽然以电和热等的形式的能量可以用于补充短期能量波动，但是存在下述问题：很难补充诸如季节波动的长期波动，并且可以因为在能量上的增大而降低电源设施的运行率。同时，将能量存储为诸如液体燃料或氢气的物质作为用于有效地补充长期波动并且改善电源设施的运行率的技术极其重要，并且，就是该不可缺少的技术最大地增强能量使用效率并且彻底地减少在未来的二氧化碳排放量。
可存储的燃料可以大体被划分为下述形式：诸如碳氢化合物（carbon hydride）的液体燃料、诸如生物气或氢气的气体燃料和诸如生物量得出的木屑颗粒或由日光还原的金属的固态燃料。这些形式的每一个具有好和差点，使得液体燃料在基础架构构造的容易性和能量密度上有益，诸如氢气的气体燃料在使用燃料电池的总的使用效率改善上有益，固体燃料在可存储性和能量密度上有益，其中，用于通过日光分解水的氢气产生技术特别吸引关注，因为容易获得的水可以被用作原材料。
用于使用太阳能和作为原材料的水来产生氢气的方法包括：光解方法，其中，在诸如氧化钛的光催化剂上负载铂，该材料被置于水内，并且通过光照射来在半导体中分离电荷，并且还原质子，并且在电解液中氧化水；热解方法，其中，通过使用在高温燃气炉中的热能来在高温下将水直接地热解，或者通过结合金属氧化还原剂而间接热解水；生物方法，其利用使用光的诸如藻类的微生物的新陈代谢；水电解方法，其中，由太阳能电池产生的电力与用于水电解的氢气产生装置组合；以及，光生伏打方法，其中，在太阳能电池中使用的光电转换材料上负载氢气产生催化剂和氧气产生催化剂，并且，在通过光电转换提供的电子和空穴的反应中使用氢气产生催化剂和氧气产生催化剂。其中，光解方法、生物方法和光生伏打方法被看作有可能通过集成光电转换部分和氢气产生部分来产生小尺寸氢气产生装置，但是相信光生伏打方法是鉴于来自日光的能量的转换效率而实际使用的最可能技术之一。
已经公开了氢气产生装置的示例，其中，通过光解方法或光生伏打方法将光电转换与氢气产生整合。关于光解方法，专利文件1公开了使用氧化钛光催化电极、铂电极和碘或铁的氧化还原的装置，所述氧化钛光催化电极吸收钌络合物。此外，专利文件2和3通过下述方式来使用集成结构：将两个光催化层串联，连接铂对电极，并且在其间夹着离子交换膜。同时，关于光生伏打方法，公开了氢气产生装置的概念，该氢气产生装置集成地具有光电转换部分、氢气产生部分和氧气产生部分（非专利文件1）。根据该文，通过光电转换部分来执行电荷分离，并且，通过使用分别与氢气产生和氧气产生对应的催化剂来执行氢气产生和氧气产生。光电转换部分由在太阳能电池中使用的材料构成。例如，根据非专利文件2，在对于三个硅p-i-n层执行电荷分离后，通过铂催化剂来进行氢气产生，并且通过氧化钌来进行氧气产生。而且，根据专利文件3，通过使用在多个波长吸收光的多结光电转换材料、使用Pt来作为氢气产生催化剂并且使用RuO2作为氧气产生催化剂来改善效率。同时，根据专利文件4和非专利文件3，通过下述方式来产生集成的氢气产生装置：将氢气产生催化剂（NiFeO）和三个硅p-i-n层并行地层叠在衬底上，并且在硅层上负载氧气产生催化剂（Co-Mo）。
现有技术文件
专利文件
专利文件1：日本未审查专利公开2006-89336
专利文件2：日本未审查专利公开2003-504799
专利文件3：日本未审查专利公开2004-504934
专利文件4：日本未审查专利公开2003-288955
非专利文件
非专利文件1：Proceedings of the National Academy of Sciences ofthe United States of America，2006，43卷，15729至15735页
非专利文件2：Applied Physics Letters，1989，55卷，386至387页
非专利文件3：Journal of Physical Chemistry,2009，113卷，14575至14581页
非专利文件4：International Journal of Hydrogen Energy，2003，28卷，1167至1169页
发明内容
本发明要解决的问题
如上所述，虽然已经公开了关于其中将光电转换与氢气产生集成以便以较高的效率来产生氢气的氢气产生装置的结构的一些研究，但是必须最大地增强光利用效率。例如，当在装置中的光接受表面中产生气体时，入射光被所产生的气体散射，使得不能充分地利用入射光并且降低光利用效率，这是严重的问题。此外，当在光电转换部分的光接受表面上负载催化剂时，入射光被催化剂反射或吸收，使得光利用效率也成问题地降低。另外，为了防止光被散射，已经研究了用于使用电极膜来将光电转换部分的光接受表面与氧气催化剂电连接的方法，但是因为由于另一个构件（诸如氧气产生催化剂）因为其结构导致的面积而限制光电转换部分的面积，所以存在不能防止光利用效率降低的问题。而且，具体地说，随着增大装置的大小，因为在氢气产生催化剂周围的电解液和在氧气产生催化剂周围的电解液之间引起质子浓度的不平衡，氢气产生速率降低，这是一个问题。
鉴于上面的情况而作出了本发明，并且本发明的目的是提供一种氢气产生装置，所述氢气产生装置在光利用效率上高，并且可以以高效率来产生氢气，而不降低氢气产生速率。
用于解决问题的手段
本发明提供了一种氢气产生装置，其包括：光电转换部分，其具有光接受表面和背表面；第一气体产生部分和第二气体产生部分，它们被设置在所述背表面上，其中，所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分之一是氢气产生部分，用于从电解液产生H2，其另一个是氧气产生部分，用于从所述电解液产生O2，并且所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分的至少一个是多个，并且所述光电转换部分电连接到所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分，以便通过所述光电转换部分的光接受产生的电动势被供应到所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分。
本发明的效果
根据本发明，可以通过使用光照射所述光电转换部分的所述光接受表面来在所述光电转换部分中产生电动势，并且，可以向所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分输出所述电动势。通过将电解液与所述电动势被输出到的所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分接触，可以在所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分之一中从所述电解液产生H2，并且可以从在其另一个中从所述电解液产生O2。因此，可以通过收集所产生的H2来产生氢气。
根据本发明，因为在所述光电转换部分的所述背表面上设置了所述氢气产生部分和所述氧气产生部分，所以所述光可以进入所述光接受表面，而不通过所述电解液，使得可以防止吸收所述入射光，并且可以防止所述入射光被所述电解液散射。因此，进入所述光电转换部分的所述入射光量可以较大，并且光利用效率可以较高。
另外，根据本发明，因为在所述光电转换部分的所述背表面上设置了所述氢气产生部分和所述氧气产生部分，所以进入所述光接受表面的所述光不被所述氢气产生部分和所述氧气产生部分以及被分别从那些部分产生的氢气和氧气吸收或散射。因此，进入所述光电转换部分的所述入射光量可以较大，并且光利用效率可以较高。
根据本发明，因为在所述光电转换部分的所述背表面上设置了所述氢气产生部分和所述氧气产生部分，可以在所述氢气产生装置的所述光接受表面的大部分上设置所述光电转换部分的所述光接受表面。因此，所述光利用效率会较高。
另外，根据本发明，因为在同一装置中设置了光电转换部分、氢气产生部分和氧气产生部分，所以与组合太阳能电池和水电解装置的传统装置相比，可以削减氢气产生成本。
另外，根据本发明，所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分的至少一个是多个。因此，这导致增大了所述第一气体产生部分与所述第二气体产生部分相邻的部分，并且可以缩短在所述第一气体产生部分周围的电解液和在所述第二气体产生部分周围的电解液之间质子被离子传导的距离。而且，可以增多在所述电解液中的质子传导路径或其中离子传导质子的离子交换材料，并且可以增大质子传导面积的比率。因此，可以降低传导的质子的浓度。
由此，质子容易在所述第一气体产生部分周围的所述电解液和在所述第二气体产生部分周围的所述电解液中移动，并且，可以降低在所述质子浓度上的不平衡。结果，可以防止所述氢气产生速率降低。而且，即使所述氢气产生装置变为较大尺寸，并且产生许多氢气，也可以防止因为在质子浓度上的不平衡导致的在氢气产生速率上的降低。另外，在所述第一气体产生部分周围的所述电解液和在所述第二气体产生部分周围的所述电解液之间的质子移动有时限制氢气产生反应，使得可以通过便利容易地移动质子来最大地增强氢气产生速率。
附图说明
图1是用于示出根据本发明的一个实施方式的氢气产生装置的配置的示意平面图。
图2是沿着在图1中的虚线A-A所取的示意截面图。
图3是用于示出根据本发明的所述实施方式的氢气产生装置的配置的示意背表面图。
图4是用于示出根据本发明的一个实施方式的氢气产生装置的配置的示意截面图。
图5是用于示出根据本发明的一个实施方式的氢气产生装置的配置的示意平面图。
图6是用于示出根据本发明的一个实施方式的氢气产生装置的配置的示意截面图。
图7是用于示出根据本发明的一个实施方式的氢气产生装置的配置的示意截面图。
图8是用于示出根据本发明的一个实施方式的氢气产生装置的配置的示意平面图。
图9是用于示出根据本发明的一个实施方式的氢气产生装置的配置的示意平面图。
图10是沿着在图9中的虚线B-B所取的示意截面图。
图11是用于示出根据本发明的一个实施方式的氢气产生装置的配置的示意截面图。
图12是用于示出根据本发明的一个参考实施方式的氢气产生装置的配置的示意截面图。
图13是用于示出根据本发明的一个参考实施方式的氢气产生装置的配置的示意截面图。
图14是用于示出根据本发明的一个实施方式的氢气产生装置的配置的示意截面图。
图15是用于示出根据本发明的一个实施方式的氢气产生装置的配置的示意截面图。
图16是用于示出根据本发明的一个参考实施方式的氢气产生装置的配置的示意截面图。
图17是用于示出根据本发明的一个参考实施方式的氢气产生装置的配置的示意截面图。
图18是用于示出根据本发明的一个参考实施方式的氢气产生装置的配置的示意截面图。
具体实施方式
根据本发明的一种氢气产生装置包括：光电转换部分，其具有光接受表面和背表面；第一气体产生部分和第二气体产生部分，它们被设置在所述背表面上，其中，所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分之一是氢气产生部分，用于从电解液产生H2，其另一个是氧气产生部分，用于从所述电解液产生O2，所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分的至少一个是多个，并且，所述光电转换部分电连接到所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分，以便通过所述光电转换部分的光接受产生的电动势被供应到所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分。
所述氢气产生装置可以从包含水的所述电解液产生氢气。
所述光电转换部分接收光，并且产生电动势。
所述光接受表面是用于接收所述光的所述光电转换部分的表面。
所述背表面是所述光接受表面的背表面。
在根据本发明的氢气产生装置中，优选的是，交错地和并排地设置所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分。
根据上面的配置，可以更多地缩短在所述第一气体产生部分周围的电解液和在所述第二气体产生部分周围的电解液之间质子被离子传导的距离。
在根据本发明的氢气产生装置中，优选的是，还在所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分之间设置隔断墙。
根据上面的配置，可以使分别在所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分中产生的氢气和氧气彼此分离，使得可以更有效地收集氢气。
在根据本发明的氢气产生装置中，优选的是，设置隔断墙以将在所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分之间的空间分开。
根据上面的配置，可以更有效地收集氢气。
在根据本发明的氢气产生装置中，所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分优选地是基本是矩形的，并且所述第一气体产生部分的长边优选地被设置得通过所述隔断墙与所述第二气体产生部分的长边邻接。
根据上面的配置，可以更多地缩短在所述第一气体产生部分周围的电解液和在所述第二气体产生部分周围的电解液之间质子被离子传导的距离。另外，可以加宽形成所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分的区域，并且，可以增加氢气产生量。另外，通过基本为矩形，并且将它们设置跨过所述隔断墙，可以容易地收集所产生的氢气或氧气。
在根据本发明的氢气产生装置中，进一步优选的是，在所述第一气体产生部分的短边之一的外部设置的第一气体排放开口和在所述第二气体产生部分的短边之一的外部设置的第二气体排放开口，并且优选彼此临近地设置所述第一气体排放开口和所述第二气体排放开口。
根据上面的配置，可以更容易地收集所产生的氢气和氧气。
在根据本发明的氢气产生装置中，优选的是，所述第一气体排放开口和所述第二气体排放开口两者是多个，所述多个所述第一气体排放开口优选地与一个第一气体排放路径导通，并且所述多个所述第二气体排放开口优选地与一个第二气体排放路径导通。
根据上面的配置，可以容易地收集所产生的氢气和氧气，并且可以改善方便性。
在根据本发明的氢气产生装置中，所述隔断墙优选地包含离子交换材料。
根据上面的配置，可以在向在所述第一气体产生部分上的空间内引入的电解液和向在所述第二气体产生部分上的空间内引入的电解液之间消除质子浓度不平衡，使得可以稳定地产生氢气和氧气。
在根据本发明的氢气产生装置中，优选的是，所述第一气体产生部分电连接到所述光电转换部分的背表面，并且，所述第二气体产生部分通过第一导电部分电连接到所述光电转换部分的光接受表面。
根据上面的配置，可以通过使用光辐射所述光电转换部分的所述光接受表面来在所述光电转换部分中产生电动势，并且，可以在所述光接受表面和所述背表面之间产生电势差。因此，可以在电连接到所述光电转换部分的背表面的所述第一气体产生部分和通过第一导电部分电连接到所述光电转换部分的所述光接受表面的所述第二气体产生部分之间产生电势差。通过使得电解液与其间具有电势差的所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分接触，可以在所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分之一中从所述电解液产生H2，并且，可以从在其另一个中从所述电解液产生O2。因此，可以通过收集所产生的H2来产生氢气。
而且，所述光电转换部分可以由在整个表面上的均匀材料构成。因此，光电转换部分的光接受表面可以大，并且可以在氢气产生装置中削减产生成本。
在根据本发明的氢气产生装置中，优选的是，所述第二气体产生部分经由绝缘部分被设置在所述光电转换部分的所述背表面上。
根据上面的配置，防止泄漏电流在所述第二气体产生部分和所述光电转换部分的所述背表面之间流动。
在根据本发明的氢气产生装置中，优选的是，在所述光电转换部分的背表面和所述第一气体产生部分之间进一步设置第二电极。
根据上面的配置，大电流可以通过光电转换部分的电动势在光电转换部分的背表面和第一气体产生部分之间流动，使得可以更有效地产生氢气或氧气。
在根据本发明的氢气产生装置中，优选的是，所述第二电极和所述绝缘部分对于所述电解液具有耐腐蚀性和液体阻挡性能。
根据上面的配置，可以防止所述光电转换部分接触所述电解液，并且可以防止使用所述电解液腐蚀所述光电转换部分。
在根据本发明的氢气产生装置中，优选的是，所述绝缘部分被设置使得覆盖所述光电转换部分侧面。
根据上面的配置，可以在覆盖所述装置侧的绝缘部分上形成第二导电部分或第二气体产生部分，并且可以将第二导电部分或第二气体产生部分设置使得与所述第一电极接触。
在根据本发明的氢气产生装置中，优选的是，所述第一导电部分包括与所述光电转换部件的所述光接受表面接触的第一电极，以及分别与所述第一电极和所述第二气体产生部分接触的第二导电部分。
根据上面的配置，所述光电转换部分的所述光接受表面可以电连接到所述第二气体产生部分，使得可以更有效地产生氢气或氧气。
在根据本发明的氢气产生装置中，优选的是，所述第二导电部分被设置在穿透所述光电转换部分的接触孔中。
根据上面的配置，所述第一电极可以电连接到所述第二气体产生部分，使得防止所述光电转换部分的所述光接受表面的面积因为所述第二导电部分的存在而被减小。
在根据本发明的氢气产生装置中，所述第二导电部分优选地具有与所述光电转换部分的所述光接受表面平行的截面，并且所述截面优选地具有与所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分的柱平行的细长形状。
根据上面的配置，可以降低在伴随在所述光电转换部分的所述光接受表面和所述第二气体产生部分之间的电荷移动的电势上的减小。
在根据本发明的氢气产生装置中，所述第二导电部分优选地被设置使得覆盖所述光电转换部分侧面。
根据上面的配置，所述第二气体产生部分可以电连接到所述光电转换部分的所述光接受表面，而不在所述光电转换部分中形成接触孔，并且可以削减产生成本。
在根据本发明的氢气产生装置中，所述第一导电部分优选地包括与所述光电转换部分的所述光接受表面接触的第一电极，并且所述第一电极优选地与所述第二气体产生部分接触。
根据上面的配置，可以进一步降低在所述光电转换部分的所述光接受表面和所述第二气体产生部分之间的电势差。
在根据本发明的氢气产生装置中，所述第二气体产生部分优选地被设置使得覆盖所述光电转换部分侧面。
根据上面的配置，所述第二气体产生部分可以电连接到所述光电转换部分的所述光接受表面，而不在所述光电转换部分中形成接触孔，并且可以削减产生成本。
在根据本发明的氢气产生装置中，优选的是，在半透明的衬底上设置所述光电转换部分。
根据上面的配置，需要在所述衬底上形成的所述光电转换部分可以被应用到根据本发明的氢气产生装置。另外，可以容易地操纵根据本发明的氢气产生装置。
在根据本发明的氢气产生装置中，所述光电转换部分优选地具有多个光电转换层，每一个光电转换层由p型半导体层、i型半导体层和n型半导体层形成。
根据上面的配置，所述光电转换部分可以具有多个pin结构，使得可以有效地执行光电转换。另外，可以在所述光电转换部分中产生更大的电动势，使得可以更有效地电解所述电解液。
在根据本发明的氢气产生装置中，所述光电转换部分包括多个串联的光电转换层，并且，所述多个光电转换层优选地向所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分输出通过接收光而产生的电动势。
根据上面的配置，所述光电转换部分可以产生电动势，以便可以通过分解水来产生氢气。
在根据本发明的氢气产生装置中，优选的是，每一个光电转换层与第三导电部分串联。
根据上面的配置，每一个光电转换层可以彼此排列（arrange）设置。
在根据本发明的氢气产生装置中，所述第三导电部分优选地包括在所述光电转换层的所述光接受表面侧上设置的半透明电极和在所述光电转换层的背表面侧上设置的背侧电极。
根据上面的配置，可以串联被彼此排列（arrange）设置的每一个光电转换层。
在根据本发明的氢气产生装置中，优选的是，在所述光电转换部分的所述背表面和所述第二气体产生部分之间进一步设置绝缘部分，并且，在所述绝缘部分和所述第二气体产生部分之间进一步设置第四导电部分。
根据上面的配置，当通过光电转换部分的光接受而产生的电动势被输出到所述第二气体产生部分时，可以最小化内阻。
在根据本发明的氢气产生装置中，优选的是，在所述光电转换部分的所述背表面和所述第一气体产生部分之间进一步设置绝缘部分，并且，在所述绝缘部分和所述第一气体产生部分之间进一步设置第五导电部分。
根据上面的配置，当由所述光电转换部分的光接受产生的电动势被输出到所述第一气体产生部分时，可以最小化内阻。
在根据本发明的氢气产生装置中，所述氢气产生部分和所述氧气产生部分优选地分别包括用于从所述电解液产生H2的反应的催化剂和用于从所述电解液产生O2的反应的催化剂。
根据上面的配置，可以在氢气产生部分中增大用于从所述电解液产生H2的反应速率，并且可以在氧气产生部分中增大用于从所述电解液产生O2的反应速率。因此，可以通过在光电转换部分中产生的电动势来更有效地产生H2，并且，可以改善光利用效率。
在根据本发明的氢气产生装置中，优选的是，所述氢气产生部分和所述氧气产生部分的至少一个是负载催化剂的多孔导体。
根据上面的配置，所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分的至少一个具有大的催化表面积，使得可以更有效地产生氧气或氢气。另外，通过使用多孔导体，可以防止电势因为在所述光电转换部分和催化剂之间的流动的电流而变化，使得可以更有效地产生氢气或氧气。
在根据本发明的氢气产生装置中，优选的是，在半透明的衬底上设置所述光电转换部分，在所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分上进一步设置板，使得其与所述衬底相对，并且在所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分与所述板之间设置空间。
根据上面的配置，可以在所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分的每一个与所述板之间引入电解液，并且，可以从在所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分中的电解液有效地产生H2和O2。
在根据本发明的氢气产生装置中，优选的是，在所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分之间进一步设置隔断墙，所述隔断墙被设置来将在所述第一气体产生部分和所述板之间的空间与在所述第二气体产生部分和所述板之间的空间分开。
根据上面的配置，可以将分别在所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分中产生的氢气和氧气彼此分离，使得可以更有效地收集氢气。
另外，本发明提供了一种用于产生氢气的方法，所述方法包括如下步骤：设置根据本发明的氢气产生装置，使得所述光电转换部分的所述光接受表面相对于水平表面倾斜；通过从所述氢气产生装置的下部向所述氢气产生装置引入所述电解液并且使用日光来照射所述光电转换部分的所述光接受表面来分别从所述氢气产生部分和所述氧气产生部分产生氢气和氧气；并且，从所述氢气产生装置的上部排放所述氢气和所述氧气。
根据在本发明中的用于产生氢气的方法，可以使用日光以低成本来产生氢气。
以下，将通过在附图中所示的实施方式来描述本发明。在附图中和在下面的说明中所示的配置仅是示例，并且本发明的范围不限于在附图和下面的说明中示出的那些。
氢气产生装置的配置
图1示出根据本发明的一个实施方式的氢气产生装置的配置，并且它是从光电转换部分的光接受表面侧获取的示意平面图。图2是沿着在图1中的虚线A-A获取的示意截面图。图3示出根据本发明的所述实施方式的氢气产生装置的配置，并且它是从光电转换部分的背表面侧获取的示意背表面视图。另外，图9示出根据本发明的一个实施方式的氢气产生装置的配置，并且，它是从光电转换部分的光接受表面侧获取的示意平面图，并且图10是沿着在图9中的虚线B-B获取的示意截面图。
在该实施方式中的氢气产生装置23包括：光电转换部分2，其具有光接受表面和背表面；在所述背表面上设置的第一气体产生部分8；以及，在所述背表面上设置的第二气体产生部分7，其中，第一气体产生部分8和第二气体产生部分7之一是用于从电解液产生H2的氢气产生部分，并且其另一个是用于从电解液产生O2的氧气产生部分，第一气体产生部分8和第二气体产生部分7的至少一个是多个，并且，光电转换部分2电连接到第一气体产生部分8和第二气体产生部分7，使得由光电转换部分2的光接受产生的电动势被供应到第一气体产生部分8和第二气体产生部分7。
此外，在该实施方式中的氢气产生装置23中包括的第一导电部分9可以由第一电极4和第二导电部分10形成，或者可以仅由第一电极4形成。另外，在该实施方式中的氢气产生装置23可以设有衬底1、第二电极5、绝缘部分11、隔断墙13、板14、电解液路径15、密封材料16、进水口18、第一气体排放开口20、第二气体排放开口19和第一气体排放路径25和第二气体排放路径26。
以下，将描述在该实施方式中的氢气产生装置。
1．衬底
衬底1可以被设置于在该实施方式中的氢气产生装置23中。此外，光电转换部分2可以被设置在半透明衬底1上，并且光接受表面在衬底1侧上。在光电转换部分2作为半导体衬底等并且具有特定强度的情况下，可以不设置衬底1。在光电转换部分2可以形成在诸如树脂膜的柔性材料上的情况下，可以不设置衬底1。
衬底1是用作基础以构成氢气产生装置的构件。此外，为了在光电转换部分2的光接受表面上接收光，它优选地是透明的，并且具有高透光率，但是透光率不被限制，只要它具有使得光可以有效地进入光电转换部分2的结构。
具有高透光率的衬底材料优选地包括透明刚性材料，诸如钠玻璃、石英玻璃、Pyrex（注册商标）和合成石英板、透明树脂板和膜材料。优选地使用玻璃衬底，因为它在化学和物理上是稳定的。
在光电转换部分2侧上的衬底1的表面可以具有精细的凹凸结构，使得可以在光电转换部分2的表面上有效地不规则地反射入射光。可以通过诸如反应离子蚀刻（RIE）工艺或喷吹工艺的公知方法来形成该精细的凹凸结构。
2．第一导电部分
第一导电部分9将第二气体产生部分7电连接到光电转换部分2的光接受表面。另外，第一导电部分9可以由一个构件形成，或者可以由第一电极4和第二导电部分10形成。通过设置第一导电部分9，光电转换部分2的光接受表面的电势可以与第二气体产生部分7的电势几乎相同，使得可以在第二气体产生部分7中产生氢气或氧气。
当第一导电部分9由一个构件形成时，这样的构件可以是金属布线，用于将光电转换部分2的光接受表面电连接到第二气体产生部分7。另外，该构件是由例如Ag形成的金属布线。而且，该金属布线可以具有象指状电极的形状，使得防止进入光电转换部分2的光减少。第一导电部分9可以被设置在光电转换部分2侧上的衬底1上，或者可以被设置在光电转换部分2的光接受表面上。另外，第一导电部分9可以是第一电极4，例如如图10-13中所示，第二气体产生部分7可以被设置得与第一电极4接触。
3．第一电极
第一电极4可以被设置在衬底1上，并且可以被设置使得与光电转换部分2的光接受表面接触。可选地，第一电极4可以具有半透明度。在可以未设置衬底1的情况中，第一电极4可以直接地被设置在光电转换部分2的光接受表面上。通过设置第一电极4，较大的电流在光电转换部分2的光接受表面与第二气体产生部分7之间流动。第一电极4可以被设置在如图2中所示的光电转换部分2的光接受表面的整个表面上，或者可以仅被设置在如图11和13中所示的光电转换部分2的光接受表面的一部分上。
第一电极4可以由以ITO或SnO2构成的透明导电膜形成，或者可以由以诸如Ag或Au的金属构成的指状电极形成。
以下，将进行第一电极4由透明导电膜形成的情况的说明。
透明导电膜用于容易地将光电转换部分2的光接受表面连接到第二气体产生部分7。
可以使用通常用作透明电极的任何材料。更具体地，所述透明电极可以由In-Zn-O（IZO）、In-Sn-O（ITO）、ZnO-Al、Zn-Sn-O或SnO2构成。另外，所述透明导电膜优选地具有85%或更大、更优选90%或更大并且最优选92%或更大的日光透光率。在该情况下，光电转换部分2可以有效地吸收光。
可以以公知方法来形成透明导电膜，该公知方法例如是溅射方法、真空沉积方法、溶胶凝胶方法、团束沉积方法或PLD（脉冲激光沉积）方法。
4．光电转换部分
光电转换部分2具有光接受表面和背表面，并且可以在光电转换部分2的背表面上串联设置第一气体产生部分8和第二气体产生部分7。所述光接受表面接收要被光电转换的光，并且在光接受表面的背面设置背表面。可以经由第一电极4在衬底1上设置光电转换部分2，并且光接受表面面向下。
虽然光电转换部分2的形状不被特别限制，但是它可以是基本矩形的。当光电转换部分2是基本矩形时，可以串联地布置具有给定宽度的第一气体产生部分8和具有给定宽度的第二气体产生部分7，使得它们与光电转换部分的一侧平行。在该情况下，在布置第一气体产生部分8和第二气体产生部分7的方向上的光电转换部分2的宽度例如不小于50cm，并且不大于200cm。因此，可以增大氢气产生装置的大小，并且，可以增大氢气产生量。此外，与布置第一气体产生部分8和第二气体产生部分7的方向垂直的光电转换部分2的宽度例如不小于50cm，并且不大于200cm。
光电转换部分2不被特别限制而只要它可以通过入射光来分离电荷并且产生电动势，光电转换部分2可以是使用硅基半导体的光电转换部分、使用化合物半导体的光电转换部分、使用染料敏化剂的光电转换部分或使用有机薄膜的光电转换部分。
光电转换部分2可以在光接受表面和背表面之间产生电动势。另外，光电转换部分2可以在光电转换部分的一侧上的两个不同区域之间产生电动势，如图14-18中所示。光电转换部分2可以例如由包括n型半导体区域和p型半导体区域的半导体衬底等形成，如图14-18中所示。
光电转换部分2必须由产生用于通过接收光分别在氢气产生部分和氧气产生部分中产生氢气和氧气所需的电动势的材料构成。在氢气产生部分和氧气产生部分之间的电势差需要大于用于水分解所需的理论电压（1.23V），使得需要在光电转换部分2中产生足够大的电势差。因此，光电转换部分2优选地被设置使得用于产生电动势的部分由诸如串联的pn结的两个或更多的结形成。
用于光电转换的材料包括基于硅基半导体、化合物半导体和有机材料提供的材料，并且可以使用任何光电转换材料。另外，为了提高电动势，可以层叠上面的光电转换材料。当层叠光电转换材料时，多结结构可以由同一材料构成。在具有不同的光学带隙的多个光电转换层被层叠以彼此补充光电转换层的低敏波长区域的情况下，可以在大的波长区域上有效地吸收入射光。优选的是，该多个光电转换层的每一个具有不同的带隙。根据上面的配置，可以在光电转换部分中产生更大的电动势，使得可以更有效地电解电解液。
另外，为了改善在光电转换层之间的串联特性，并且为了匹配在光电转换部分2中产生的光电流，可以在层之间***诸如透明导电膜的导体。因此，可以防止光电转换部分2变差。
可以通过下述方式来形成光电转换部分2：将排列的光电转换层35与第三导电部分33串联，如图11、13、15、17和18中所示。另外，当在光接受表面侧和光电转换层35的背面侧之间产生电动势时，可以通过下述方式来形成第三导电部分33：将在光电转换层35的光接受表面侧上设置的半透明电极30与在光电转换层35的背表面侧上设置的背面电极31连接，如图11和13中所示。注意，可以以与第一电极4类似的方式来形成半透明电极30。另外，可以通过使用CVD方法或溅射在衬底1上形成半透明导电膜并且然后将所述半透明导电膜激光划线来同时形成第一电极4和半透明电极30。可以通过与第二电极5类似的方式来形成背面电极31。另外，用于将半透明电极30电连接到背面电极31的方法可以是用于在光电转换层35中形成接触孔的方法或用于在半透明电极30的一部分上形成背面电极31的一部分的方法。
此外，当在光电转换层35的背表面侧上的不同区域之间产生电动势时，可以形成第三导电部分33，如图15、17和18中所示。
以下，将更具体地描述光电转换部分2的示例。注意，可以通过组合这些示例来设置光电转换部分2。而且，如下所述的光电转换部分2可以是光电转换层35，只要没有不一致。
4-1．使用硅基半导体的光电转换部分
使用硅基半导体的光电转换部分2可以是单晶型、多晶型、非晶型、球形硅型或那些的组合。可以在这些类型的任何一种中设置在p型半导体和n型半导体之间的pn结。可选地，可以提供其中在p型半导体和n型半导体之间设置i型半导体的pin结。此外可选地，可以提供多个pn结、多个pin结或pn结和pin结。
硅基半导体是包含诸如硅、碳化硅或锗化硅的硅系列的半导体。另外，它可以包括其中向硅添加n型杂质或p型杂质者，并且可以包括结晶、非晶或微晶半导体。
可选地，使用硅基半导体的光电转换部分2可以是在衬底1上形成的薄膜或厚膜光电转换层、其中在诸如硅晶片的晶片上形成pn结或pin结者或其中在具有pn结或pin结的晶片上形成薄膜光电转换层者。
下面示出用于使用硅基半导体来形成光电转换部分2的方法的示例。
通过诸如等离子体CVD方法的方法来在衬底1上层叠的第一电极4上形成第一导电型半导体层。该第一导电型半导体层是p+型或n+型非晶Si薄膜或多晶或微晶Si薄膜，该多晶或微晶Si薄膜被掺杂使得杂质原子浓度是1×1018至5×1021/cm3。用于第一导电型半导体层的材料不限于Si，并且可以使用诸如SiC、SiGe或SiXO1-X的化合物。
多晶或微晶Si薄膜在通过诸如等离子体CVD方法的方法如上所述形成的第一导电型半导体层上形成为结晶Si基光敏层。在该情况下，导电型是其掺杂浓度小于第一导电型半导体层或i型的掺杂浓度的第一导电型。用于结晶Si基光敏层的材料不限于Si，并且可以使用诸如SiC、SiGe或SiXO1-X的化合物。
然后，为了在结晶Si基光敏层上形成半导体结，通过诸如等离子体CVD方法的方法来形成其导电型与第一导电型半导体层的导电型相反的第二导电型半导体层。该第二导电型半导体层是n+型或p+型非晶Si薄膜，或者被掺杂了1×1018至5×1021/cm3的杂质原子的多晶或微晶Si薄膜。用于第一导电型半导体层的材料不限于Si，并且可以使用诸如SiC、SiGe或SiXO2-X的化合物。另外，为了进一步改善结特性，可以在结晶Si基光敏层和第二导电型半导体层之间***基本为i型的非晶Si基薄膜。因此，有可能层叠与光接受表面最近的光电转换层。
然后，形成第二光电转换层。第二光电转换层由第一导电型半导体层、结晶Si基光敏层和第二导电型半导体层形成，并且它们以与在第一光电转换层中的第一导电型半导体层、结晶Si基光敏层和第二导电型半导体层对应地相同的方式形成。当不能使用二层串联充分地获得用于水分解所需的电势时，优选的是，提供三层或更多的层叠结构。在此，应当注意，在第二光电活性层中的结晶Si基光敏层的结晶体积部分优选地大于在第一层中的结晶Si基光敏层的结晶体积部分。类似地，当层叠三个或更多层时，其结晶体积部分优选地大于下层的结晶体积部分。这是因为吸收率在长波长区域中高，并且频谱灵敏度移位到长波长区域侧，使得即使当光敏层由同一Si材料构成时，也可以在大的波长区域上改善灵敏度。即，当串联结构由具有不同结晶度的Si构成时，频谱灵敏度变高，使得可以高效率地使用光。此时，必须在光接受表面侧上设置具有低结晶度的材料，以实现高的光利用效率。另外，当结晶度是40%或更小时，非晶组分增多并且产生变差。在这个实施例中，虽然描述了由通过层叠光电转换层而串联的每一个光电转换层构成的光电转换部分2，但是也可以通过连接如图11和13中所示被设置为串联的光电转换层来形成光电转换部分2。
然后，将描述使用硅衬底来形成光电转换部分2的示例如下。
所述硅衬底可以是单晶硅衬底或多晶硅衬底，并且可以是p型、n型或i型。可以通过经由热扩散或离子注入等将硅衬底的一部分掺杂诸如P的n型杂质来形成n型半导体区域37，并且，可以通过经由热扩散或离子注入等将硅衬底的其他部分掺杂诸如B的p型杂质来形成p型半导体区域36。因此，可以在硅衬底中形成pn结、pin结、npp+结或pnn+结，并且，可以由此形成光电转换部分2。
如图16中所示，可以在硅衬底中形成一个n型半导体区域37和一个p型半导体区域36每一个，或者，可以形成多个n型半导体区域37或多个p型半导体区域36，如图14和15中所示。另外，可以通过下述方式来形成光电转换部分2：设置布置形成n型半导体区域37和p型半导体区域36的硅衬底，并且通过第三导电部分33来连接硅衬底，如图15和17中所示。另外，可以通过下述方式来形成光电转换部分2：在一个硅衬底上形成槽隔离42，并且分别在由槽隔离42分开的每一个区域中形成n型半导体区域37和p型半导体区域36，如图18中所示。
在这个实施方式中，虽然描述了使用硅衬底，但是可以使用能够形成pn结、pin结、npp+结或pnn+结的其他半导体衬底。所述光电转换部分不限于半导体衬底，只要n型半导体区域37和p型半导体区域36形成于其上，或者所述光电转换部分可以是在衬底上形成的半导体层。
4.2使用化合物半导体的光电转换部分
关于使用化合物半导体的光电转换部分，例如，使用由III-V族元素形成的GaP、GaAs、InP或InAs、由II-VI族元素形成的CdTe/CdS或由I-III-VI族元素形成的CIGS（铜铟镓二硒）形成pn结。
下面作为一个示例示出了用于使用化合物半导体来产生光电转换部分的方法，并且在该方法中，使用MOCVD（金属有机化学气相沉积）装置全部依序执行薄膜形成处理等。作为用于III族元素的材料，使用氢气作为载气向生长***提供有机材料，诸如三甲基镓、三甲基铝或三甲基铟。作为用于V族元素的材料，使用气体，诸如胂（AsH3）、膦（PH3）或
（SbH3）。作为p型杂质或n型杂质掺杂剂，二乙基锌等用于建立p型，或者，硅烷（SiH4）、乙硅烷（Si2H6）或硒化氢（H2Se）等用于建立n型。当上面的原材料气体被提供在被加热到700℃并且被热解的衬底上时，可以外延地生长期望的化合物半导体材料膜。生长层的组成可以被引入的气体组成控制，并且其膜厚度可以被气体的引入时间长度控制。当光电转换部分被提供为多结层叠层时，通过尽可能在层之间匹配晶格常数，生长层可以在结晶属性上优异，使得可以改善光电转换效率。
为了增强载体收集效率，除了其中形成pn结的部分之外，可以在光接受表面侧上设置公知的窗口层，或者可以在非光接受表面侧上设置公知的电场层。另外，可以设置缓冲层以防止杂质扩散。
4-3．使用染料敏化剂的光电转换部分
使用染料敏化剂的光电转换部分主要由例如多孔半导体、染料敏化剂、电解质和溶剂形成。
作为用于多孔半导体的材料，可以从公知的半导体选择一种或更多，该公知半导体由氧化钛、氧化钨、氧化锌、钛酸钡、钛酸锶和硫化镉等构成。用于在衬底上形成多孔半导体的方法包括：其中通过诸如丝网印刷方法或喷墨方法的方法来施加包含半导体微粒的糊状物并且干燥或烘烤该糊状物的方法；其中使用原材料气体通过诸如CVD方法的方法来形成薄膜的方法；PVD方法；沉积方法；溅射方法；溶胶凝胶方法；以及，使用电化学氧化还原反应的方法。
作为被吸附到多孔半导体的染料敏化剂，可以使用被吸收到可见光区域和红外光区域的各种染料。在此，为了将该染料强吸附到多孔半导体，优选的是，染料分子包含基团，诸如羧酸基团、羧酸酐基团、烷氧基基团、磺酸基团、羟基基团、羟烷基基团、酯基团、巯基基团或磷酰基基团。这些功能基团提供电耦合，以容易地在激发状态染料和多孔半导体的导带之间移动电子。包含功能基团的染料包括钌联吡啶系列染料、醌系列染料、醌亚胺系列染料、偶氮系列染料、喹吖啶酮系列染料、方酸
系列染料、花菁系列染料、部花菁系列染料、三苯基甲烷系列染料、黄嘌呤系列染料、卟啉系列染料、酞菁系列染料、苝系列染料、靛蓝系列染料和萘酞菁系列染料。
用于将染料吸附到多孔半导体中的方法包括其中在包括其中溶解的染料的溶液（染料吸附溶液）中浸渍多孔半导体的方法。在染料吸附溶液中使用的溶剂不特别被限制，只要它们可以溶解染料，并且更具体地包括诸如乙醇或甲醇的醇、诸如丙酮的酮、诸如***或四氢呋喃的醚、诸如乙腈的氮化合物、诸如己烷的脂肪烃、诸如苯的芳族烃、诸如乙酸乙酯的酯和水。
电解质由氧化还原对和用于固定氧化还原对的诸如聚合物凝胶的液体或固体介质形成。
作为氧化还原对，优选地使用诸如铁系列或钴系列的金属或诸如氯、溴或碘的卤素物质，并且，优选地使用诸如碘化锂、碘化钠或碘化钾的金属碘化物和碘的组合。此外，可以在其中混和诸如二甲基丙基咪唑碘化物的咪唑盐。
作为溶剂，在使用诸如碳酸丙烯酯的碳酸酯化合物、诸如乙腈的腈化合物、诸如乙醇或甲醇的醇、水或极性非质子物质等的同时，其中，优选地使用碳酸酯化合物或腈化合物。
4-4．使用有机薄膜的光电转换部分
使用有机薄膜的光电转换部分可以是由具有电子供体属性和电子受体属性的有机半导体材料形成的电子空穴传输层，或具有电子受体属性的电子传送层和具有电子供体属性的空穴传输层的层叠。
虽然具有电子供体属性的有机半导体材料不被特别限制而只要它具有作为电子供体的功能，但是优选的是，可以通过涂覆方法来形成薄膜，并且特别地，优选地使用具有电子供体属性的导电聚合物。
在此，导电聚合物表示由π共轭***形成的π共轭聚合物，其中，包括碳碳或杂原子的双键或三键交错地与单键相邻，同时示出半导体属性。
用于具有电子供体属性的导电聚合物的材料可以是聚亚苯基、聚亚苯基亚乙烯基、聚噻吩、聚咔唑、聚乙烯基咔唑、聚硅烷、聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚芴、聚乙烯基芘、聚乙烯基蒽、其衍生物或共聚物、包含酞菁染料的聚合物、包含咔唑的聚合物或金属有机聚合物等。特别是，优选地使用的材料可以是噻吩-芴共聚物、聚烷基噻吩、亚苯基亚乙炔基-亚苯基亚乙烯基共聚物、氟-亚苯基亚乙烯基共聚物或噻吩-亚苯基亚乙烯基等。
虽然用于具有电子受体属性的有机半导体的材料不被特别限制而只要它具有作为电子受体的功能，但是优选的是，可以通过涂覆方法来形成膜，并且特别地，优选地使用具有电子供体属性的导电聚合物。
作为具有电子受体属性的导电聚合物，它可以是聚亚苯基亚乙烯基、聚芴、其衍生物或共聚物、碳纳米管、富勒烯、其衍生物、包含CN基团或CF3基团的聚合物及其CF3取代的聚合物。
可选地，可以使用：被掺杂了电子供体化合物的、具有电子受体属性的有机半导体材料；或者，被掺杂了电子受体化合物的、具有电子供体属性的有机半导体材料。用于被掺杂了电子供体化合物的、具有电子受体属性的导电聚合物的材料可以是上述的具有电子受体属性的导电聚合物材料。待掺杂的电子供体化合物可以是诸如碱金属或碱土金属的路易斯碱，所述碱金属或碱土金属例如是Li、K、Ca或Cs。所述路易斯碱作为电子供体。另外，用于被掺杂了电子受体化合物的、具有电子供体属性的导电聚合物的材料可以是上述的具有电子供体属性的导电聚合物材料。待掺杂的电子受体化合物可以是诸如FeCl3、AlCl3、AlBr3、AsF6或卤素化合物的路易斯酸。所述路易斯酸作为电子受体。
虽然初步假定上面的光电转换部分2接收日光并且执行光电转换，但是可以使用诸如来自荧光灯、白炽灯、LED或特定热源发射的光的人造光根据应用来照射光电转换部分2，以执行光电转换。
5．第二电极
可以在光电转换部分2和第一气体产生部分8之间设置第二电极5。通过设置第二电极5，光电转换部分2的背表面的电势可以与第一气体产生部分8的电势几乎相同。另外，可以减小在光电转换部分2的背表面和第一气体产生部分8之间的电阻损失。另外，大的电流可以在光电转换部分2的背表面和第一气体产生部分8之间流动。因此，可以通过在光电转换部分2中产生的电动势来有效地产生氢气或氧气。当光电转换部分2的背面与第一气体产生部分8接触使得在它们之间的电阻变小时，可以省略第二电极5。此外，第二电极5优选地对于电解液具有耐腐蚀性和液体阻挡性能。因此，可以防止光电转换部分2为电解液腐蚀。
虽然第二电极5不被特别限制而只要它具有导电性，但是它可以是金属薄膜，诸如由Al、Ag或Au构成的薄膜。可以通过溅射方法等来形成所述膜。可选地，它可以是由诸如In-Zn-O(IZO)、In-Sn-O(ITO)、ZnO-Al、Zn-Sn-O或SnO2的材料构成的透明导电膜。
6．绝缘部分
可以在光电转换部分2的背表面和第二气体产生部分7之间设置绝缘部分11。另外，可以在第一气体产生部分8和第二气体产生部分7之间设置绝缘部分11。此外，可以在第一导电部分9和光电转换部分2之间、在第二导电部分10和光电转换部分2之间和在第二导电部分10和第二电极5之间设置绝缘部分11。
通过设置绝缘部分11，电流可以在光电转换部分2的光接受表面和第二气体产生部分7之间流动，并且电流可以通过在光电转换部分2中产生的电动势在光电转换部分2的背表面和第一气体产生部分8之间流动。另外，泄漏电流可以较小。因此，光电转换部分2的光接受表面的电势可以与第二气体产生部分7的电势几乎相同，并且光电转换部分2的背表面的电势可以与第一气体产生部分8的电势几乎相同，使得可以更有效地产生氢气和氧气。
另外，绝缘部分11可以被形成使得覆盖光电转换部分2侧，如图10-13中所示。因此，可以在覆盖光电转换部分2侧的绝缘部分11上形成第二气体产生部分7，即使第二气体产生部分被设置得与第一电极4接触，也可以防止在它们之间产生泄漏电流。另外，可以在每一个光电转换层28之间形成绝缘部分11，如图11和13中所示。因此，防止泄漏电流在其间流动。
此外，当在光电转换部分2的背表面上的不同区域之间产生电动势时，可以在第一和第二气体产生部分8、7与光电转换部分2的背面之间设置绝缘部分11，并且绝缘部分11可以具有用于将第一气体产生部分8电连接到光电转换部分2的背面的一部分的开口，和用于将第二气体产生部分7电连接到光电转换部分2的背面的一部分的开口，如图14-18中所示。
另外，可以在绝缘部分11和第一气体产生部分8之间设置第五导电部分44。另外，可以在绝缘部分11和第二气体产生部分7之间设置第四导电部分45。因此，可以减小内阻。例如，可以如图11和14中所示设置第五导电部分44和第四导电部分45。
另外，优选的是，绝缘部分11对于电解液具有耐腐蚀性和液体阻挡性能。因此，可以防止光电转换部分2为电解液腐蚀。
绝缘部分11可以由有机材料或无机材料构成，并且所述有机材料可以是有机聚合物，诸如聚酰胺、聚酰亚胺、聚亚芳基、芳族乙烯基化合物、氟系列聚合物、丙烯酸系列聚合物或乙烯基酰胺系列聚合物，而所述无机材料可以是诸如Al2O3、SiO2的金属氧化物，诸如多孔二氧化硅膜、氟化的二氧化硅膜（FSG）、SiOC、HSQ（氢倍半硅氧烷）膜、SiNx或硅醇（Si(OH)4），其被溶解在诸如醇的溶剂中，以被施加和加热以形成膜。
用于形成绝缘部分11的方法可以是：其中包含绝缘材料的糊状物通过丝网印刷方法、喷墨方法或旋涂方法被施加并且然后被干燥或烘烤的方法；其中使用原材料气体通过诸如CVD方法的方法形成膜的方法；PVD方法；沉积方法；溅射方法；或者，溶胶凝胶方法。
7．第二导电部分
第二导电部分10可以被设置以便与第一电极4和第二气体产生部分7的每一个接触。通过设置第二导电部分10，与光电转换部分2的光接受表面接触的第一电极4可以容易地电连接到第二气体产生部分7。
第二导电部分10与第一电极4接触，第一电极4与光电转换部分2的光接受表面和在光电转换部分2的背表面上设置的第二气体产生部分7接触，使得当与光电转换部分2的光接受表面平行的第二导电部分10的截面面积太大时，光电转换部分2的光接受表面的面积变小。同时，当与光电转换部分2的光接受表面平行的第二导电部分10的截面面积太小时，在光电转换部分2的光接受表面的电势和第二气体产生部分7的电势之间产生差，使得可以不提供用于电解电解液所需的电势差，并且可以降低氢气或氧气的产生效率。因此，与光电转换部分2的光接受表面平行的第二导电部分的截面面积需要被设置在特定范围内。例如，当假定光电转换部分2的光接受表面的面积是100%时，与光电转换部分2的光接受表面平行的第二导电部分的截面面积（当设置多个第二导电部分时，它们的总和）可以是0.1%或更大至10%或更小、优选是0.5%或更大至8%或更小、并且更优选是1%或更大至6%或更小。
另外，可以在穿过光电转换部分2的接触孔中设置第二导电部分10。在该情况下，因为第二导电部分10的存在导致的在光电转换部分2的光接受表面的面积上的减小可以较小。另外，在该情况下，在光电转换部分2的光接受表面和第二气体产生部分7之间的电流路径可以较短，使得可以更有效地产生氢气或氧气。另外，在该情况下，可以容易地调整与光电转换部分2的光接受表面平行的第二导电部分10的截面面积。
此外，具有第二导电部分10的接触孔的数量可以是一个或多个，并且所述接触孔可以具有圆形截面。另外，当假定光电转换部分2的光接受表面的面积是100%时，与光电转换部分2的光接受表面平行的接触孔的截面面积（当设置多个接触孔时，它们的总和）可以是0.1%或更大至10%或更小、优选是0.5%或更大至8%或更小、并且更优选是1%或更大至6%或更小。根据上面的配置，防止所述光电转换部分的光接受表面的面积因为第二导电部分的存在而减小。
另外，第二导电部分10可以由在穿透光电转换部分2的接触孔中设置的部分和在第二气体产生部分7和绝缘部分11之间设置的部分形成，如图4中所示。因此，第二气体产生部分7充分地电连接到第二导电部分10。并且，光电转换部分2的光接受表面的电势可以与第二气体产生部分7的电势几乎相同。另外，可以将低导电率催化剂用作第二气体产生部分7。
另外，可以在其中未形成光电转换部分2的区域中设置第二导电部分10。
此外，可以设置第二导电部分10使得覆盖光电转换部分2侧。
用于第二导电部分10的材料不被特别限制，只要它具有导电性。方法包括：其中诸如碳糊状物或Ag糊状物的包含导电粒子的糊状物通过丝网印刷方法或喷墨方法被施加并且然后被干燥或烘烤的方法；其中，使用原材料气体通过CVD方法的方法形成膜的方法；PVD方法；沉积方法；溅射方法；溶胶凝胶方法；以及，使用电化学氧化还原反应的方法。
图5是从光接受表面侧获取的根据本发明的一个实施方式的氢气产生装置的视图。与光电转换部分2的光接受表面平行的第二导电部分10的截面可以是如图1中所示的圆形的，或者可以具有如图4中所示的长和薄的形状。另外，如图1中所示，第二导电部分10的数量可以是的多个，而第二气体产生部分7的数量可以是一个，或者如图5中所示，第二导电部分10的数量可以是一个，而第二气体产生部分7的数量可以是一个。另外，用于将光电转换部分2的光接受表面与第二气体产生部分7电连接的在接触孔中设置的第二导电部分10可以形成与隔断墙13基本平行的长的形状。另外，在接触孔中设置的第二导电部分10可以具有与光电转换部分2的光接受表面平行的截面，并且该截面可以具有与第一气体产生部分和第二气体产生部分的排列方向平行的形状。
8．第一气体产生部分
在光电转换部分2的背表面上设置第一气体产生部分8。因此，第一气体产生部分8不阻挡进入光电转换部分2的光。另外，第一气体产生部分8是氢气产生部分和氧气产生部分中的任何一个，并且可以电连接到光电转换部分2的背表面。可以在光电转换部分2和第一气体产生部分8之间设置第五导电部分44，以便在光电转换部分2和第一气体产生部分8之间有效地传输电子。因此，光电转换部分2的背表面的电势可以与第一气体产生部分8的电势几乎相同，使得可以通过在光电转换部分2中产生的电动势来产生氢气或氧气。另外，第一气体产生部分8是多个，并且可以被设置使得第一气体产生部分8和第二气体产生部分7交错地和并排地排列。因此，可以增大第一气体产生部分8和第二气体产生部分7的边界表面，并且可以缩短在第一气体产生部分8周围的电解液和在第二气体产生部分7周围的电解液之间的距离。另外，质子可以容易地移动，以便消除在第一气体产生部分8周围的电解液和在第二气体产生部分7周围的电解液之间的质子浓度不平衡。因此，可以防止因为在质子浓度上的不平衡导致的在氢气产生速率上的减小。
另外，第一气体产生部分8可以被设置使得不与第二气体产生部分7接触。因此，防止泄漏电流在第一气体产生部分8和第二气体产生部分7之间流动。此外，第一气体产生部分8可以被暴露到电解液路径15。因此，可以在第一气体产生部分8的表面上从电解液产生H2或O2。
9．第二气体产生部分
在光电转换部分2的背表面上设置第二气体产生部分7。在该情况下，第二气体产生部分7不阻挡进入光电转换部分2的光。另外，第二气体产生部分7是氢气产生部分和氧气产生部分中的任何一个，并且可以通过第一导电部分9电连接到光电转换部分2的光接受表面。因此，光电转换部分2的光接受表面的电势可以与第二气体产生部分7的电势几乎相同，使得可以通过在光电转换部分2中产生的电动势来产生氢气或氧气。可以在光电转换部分2和第二气体产生部分7之间设置第四气体产生部分45，以便在光电转换部分2和第二气体产生部分7之间有效地传导电子。
如图14-18中所示，当在光电转换部分2的背表面上的不同区域（例如，p型半导体区域36和n型半导体区域37）之间产生电动势时，第二气体产生部分7可以通过光电转换部分的背表面电连接到光电转换部分。
另外，也可以设置第二气体产生部分7使得与第一电极4接触。因此，光电转换部分2的光接受表面的电势可以与第二气体产生部分7的电势几乎相同。例如，如图10、12和13中所示，可以使用绝缘部分11来覆盖光电转换部分2侧，然后，可以设置第二气体产生部分7使得覆盖光电转换部分2侧。因此，第二气体产生部分7可以电连接到光电转换部分2的光接受表面，而不形成接触孔。另外，如图11中所示，可以在第一电极4和第二气体产生部分7之间设置第二导电部分10。因此，可以减小内阻。
另外，第二气体产生部分7是多个，并且可以被设置使得与第一气体产生部分8交错地和并排地排列。因此，可以增大在第一气体产生部分8和第二气体产生部分7之间的质子传导路径，并且，可以防止因为在质子浓度上的不平衡导致的在氢气产生速率上的减小。另外，可以经由绝缘部分11在光电转换部分2的背表面侧上设置第二气体产生部分7。另外，可以设置第二气体产生部分7使得不与第一气体产生部分8接触。因此，防止泄漏电流在它们之间流动。此外，第二气体产生部分7可以被暴露到电解液路径15。因此，可以在第二气体产生部分7的表面上从电解液产生H2或O2。
另外，第一气体产生部分8和第二气体产生部分7可以是大体矩形或带状的。大体矩形或带状的第一气体产生部分8和大体矩形或带状的第二气体产生部分7可以被设置来交错地和并排地排列。另外，可以在第一气体产生部分8和第二气体产生部分7之间设置隔断墙13。此外，第一气体产生部分8的长侧可以被设置以通过隔断墙13与第二气体产生部分7的长侧邻接。
另外，在布置第一气体产生部分8和第二气体产生部分7的方向上的宽度不被特别限制，例如可以相同或不同，如图6中所示。第一气体产生部分8可以具有例如不小于5cm和不大于20cm的宽度。第二气体产生部分7可以具有例如不小于5cm和不大于20cm的宽度。根据上面的配置，即使氢气产生装置变为更大的尺寸，也可以更多地缩短在所述第一气体产生部分周围的电解液和在所述第二气体产生部分周围的电解液之间质子被离子传导的距离。结果，可以减小质子浓度上的不平衡，并且，可以防止氢气产生速率减小。
另外，当第一气体产生部分8的宽度是100时，第一气体产生部分8可以不小于50并且不大于200、不小于50并且不大于80或不小于120并且不大于200。根据上面的配置，在第一气体产生部分和第二气体产生部分中，作为氢气产生部分的部分的宽度可以大于作为氧气产生部分的部分的宽度，并且可以防止因为在氢气产生量和氧气产生量之间的差导致的在氢气产生速率上的减小。
另外，在第一气体产生部分8和第二气体产生部分7中，作为氢气产生部分的部分的宽度可以大于作为氧气产生部分的部分的宽度。另外，作为氢气产生部分的部分的宽度可以是作为氧气产生部分的部分的宽度的1.2至2.5倍。另外，在第一气体产生部分8和第二气体产生部分7中，作为氢气产生部分的部分的宽度可以比作为氧气产生部分的部分的宽度大基本2倍。另外，与该宽度符合地，在氢气产生部分的顶部上的电解液路径15的宽度和在氧气产生部分的顶部上的电解液路径15的宽度的比率可以是大约2:1。因为从水产生的氢气和氧气的比率是2:1，所以当在氢气产生部分中包含的氢气产生催化剂的活性等同于在氧气产生部分中包含的氧气产生催化剂的活性时，并且当氢气产生催化剂的负荷等同于氧气产生催化剂的负荷时，因为气泡或气体的累积对于氢气产生速率和氧气产生速率的影响可以是几乎相同，因此可以有效地产生氢气。
另外，第一气体产生部分8和第二气体产生部分7的至少一个优选地具有比光接受表面的面积大的催化表面积。根据上面的配置，可以通过在光电转换部分中产生的电动势来更有效地产生氢气或氧气。
另外，第一气体产生部分和第二气体产生部分的至少一个优选地是负载催化剂的多孔导体。根据上面的配置，第一气体产生部分和第二气体产生部分的至少一个具有大的催化表面积，使得可以更有效地产生氧气或氢气。另外，通过使用该多孔导体，可以防止因为在光电转换部分和催化剂之间流动的电流导致电势变化，使得可以更有效地产生氢气或氧气。
10．氢气产生部分
氢气产生部分是用于从电解液产生H2的部分，并且它是第一气体产生部分8或第二气体产生部分7。而且，相信电解液的质子浓度降低，因为从在氢气产生部分周围的电解液产生氢气。通过在氢气产生部分周围的电解液和在氧气产生部分周围的电解液之间传导质子来消除在质子浓度上的减小。
另外，氢气产生部分可以包含用于从电解液产生H2的反应的催化剂。在该情况下，用于从电解液产生H2的反应速率可以增大。氢气产生部分可以仅由用于从电解液产生H2的反应的催化剂形成，并且可以通过载体来负载所述催化剂。另外，氢气产生部分可以具有比光电转换部分2的光接受表面的面积大的催化表面积。在该情况下，用于从电解液产生H2的反应速率可以变得更大。另外，氢气产生部分可以是负载催化剂的多孔导体。在该情况下，催化表面积可以增大。另外，可以防止电势因为在光电转换部分2的光接受表面或背表面与在氢气产生部分包含的催化剂之间流动的电流而改变。另外，当氢气产生部分是第一气体产生部分8时，可以防止电势因为在光电转换部分2的背表面和催化剂之间流动的电流而改变，即使当未设置第二电极时。此外，所述氢气产生部分可以包含Pt、Ir、Ru、Pd、Rh、Au、Fe、Ni和Se中的至少一种来作为氢气产生催化剂。根据上面的配置，可以通过在光电转换部分中产生的电动势以高反应速率来产生氢气。
用于从电解液产生H2的反应的催化剂（氢气产生催化剂）被提供来促进从两个质子和两个电子向一个氢分子的转换，并且可以由在化学上稳定并且具有小的氢气产生过电压的材料构成。氢气产生催化剂的示例包括：铂族金属，诸如具有用于氢气的催化剂活性的Pt、Ir、Ru、Pd、Rh或Au、其合金和包含铂族金属的化合物；以及，合金，其包含构成作为氢气产生酶的氢化酶的活性中心的诸如Fe、Ni和Se的金属中的任何一种以及包含该金属的化合物，这些示例及其组合可以有利地被用作氢气产生催化剂。其中，优选地使用Pt和包含Pt的纳米结构的主体，因为它们的氢气产生过电压较低。也可以使用通过光照射来产生氢气产生反应的、诸如CdS、CdSe、ZnS或ZrO2的材料。
虽然可以在光电转换部分2的背表面上直接地负载氢气产生催化剂，但是可以在导体上负载催化剂，以便增大反应面积并且改善气体产生率。作为用于负载催化剂的导体，它可以是金属材料、含碳材料或具有导电性的无机材料。
金属材料优选地是具有电子传导性并且在酸性气氛下具有耐腐蚀性的材料。更具体地，所述材料可以是诸如Au、Pt或Pd的贵金属、诸如Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cr、Ag、Cu、Zn、Su或Si的金属、上面的金属的氮化物或碳化物、不锈钢或诸如Cu-Cr、Ni-Cr或Ti-Pt的合金。所述金属材料更优选地包含选自包括Pt、Ti、Au、Ag、Cu、Ni和W的组的至少一个元素，因为难以产生另一个化学副反应。该金属材料在电阻上较低，并且可以甚至当在表面方向上拉出电流时防止电压降低。另外，当使用诸如Cu、Ag或Zn的在酸性气氛下具有差的耐腐蚀性的金属材料时，可以使用贵金属或具有耐腐蚀性的金属、碳、石墨、玻璃碳、导电聚合物、导电氮化物、导电碳化物或导电氧化物来涂覆具有差的耐腐蚀性的金属材料的表面，所述贵金属或具有耐腐蚀性的金属例如是Au、Pt或Pd。
作为含碳材料，优选的是，它在化学上是稳定的，并且具有导电性。例如，所述材料可以是碳粉末或碳纤维，诸如乙炔黑、硫化纤维、科琴黑、炉黑、VGCF、碳纳米管、碳纳米角或富勒烯。
作为具有导电性的无机材料，它可以是In-Zn-O(IZO)、In-Sn-O(ITO)、ZnO-Al、Zn-Sn-O、SnO2或掺杂了氧化锑的氧化锡。
另外，作为导电聚合物，它可以是聚乙炔、聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯、聚对亚苯基或聚对亚苯基亚乙烯基，并且作为导电氮化物，它可以是氮化碳、氮化硅、氮化镓、氮化铟、氮化锗、氮化钛、氮化锆或氮化铊，并且作为导电碳化物，它可以是碳化钽、碳化硅、碳化锆、碳化钛、碳化钼、碳化铌、碳化铁、碳化镍、碳化铪、碳化钨、碳化钒或碳化铬，并且作为导电氧化物，它可以是氧化锡、氧化铟锡（ITO）或掺杂了氧化锑的氧化锡。
用于负载氢气产生催化剂的导体的结构可以优选地选自板状、箔状、棒状、网格状、板条板状、多孔板状、多孔棒状、编织布状、无纺布状、纤维状和毡子状。另外，优选地使用具有通过在毡子形状的电极的表面上压制而形成的凹槽的导体，因为它可以降低电极液体的电阻和流阻。
11.氧气产生部分
氧气产生部分是用于从电解液产生O2的部分，并且它是第一气体产生部分8或第二气体产生部分7。而且，相信电解液的质子浓度增大，因为从在氧气产生部分周围的电解液产生氧气。通过在在氧气产生部分周围的电解液和氢气产生部分周围的电解液之间传导质子来消除在质子浓度上的增大。
另外，氧气产生部分可以包含用于从电解液产生O2的反应的催化剂。在该情况下，用于从电解液产生O2的反应速率可以增大。氧气产生部分可以仅由用于从电解液产生O2的反应的催化剂形成，并且可以通过载体来负载所述催化剂。另外，氧气产生部分可以具有比光电转换部分2的光接受表面的面积大的催化表面积。在该情况下，用于从电解液产生O2的反应速率可以增大。另外，氧气产生部分可以是负载催化剂的多孔导体。在该情况下，催化表面积可以增大。另外，可以防止电势因为在光电转换部分2的光接受表面或背表面与在氧气产生部分包含的催化剂之间流动的电流而改变。另外，当氢气产生部分是第一气体产生部分8时，可以防止电势因为在光电转换部分2的背表面和催化剂之间流动的电流而改变，即使当未设置第二电极时。此外，氧气产生部分可以包含Mn、Ca、Zn、Co和Ir中的至少一种来作为氧气产生催化剂。根据上面的配置，可以通过在光电转换部分中产生的电动势来以较高的反应速率产生氧气。
用于从电解液产生O2的反应的催化剂（氧气产生催化剂）被提供来促进从两个水分子向一个氧分子、四个质子和四个电子的转换，并且由在化学上稳定并且具有小的氧气产生过电压的材料构成。例如，所述材料包括：氧化物或化合物，其包含用作光***II（Photosystem II）的活性中心的Mn、Ca、Zn或Co，所述光***II作为酶以催化使用光从水产生氧气的反应；包含诸如Pt、RuO2或IrO2的箔族金属的化合物；氧化物或化合物，其包含诸如Ti、Zr、Nb、Ta、W、Ce、Fe或Ni的过渡金属；以及，上面的材料的组合。其中，优选地使用氧化铱、氧化锰、氧化钴或磷酸钴，因为过电压低并且氧气产生效率高。
虽然可以在光电转换部分2的背表面上直接地负载氧气产生催化剂，但是可以在导体上负载催化剂，以便增大反应面积并且改善气体产生率。作为用于负载催化剂的导体，它可以是金属材料、含碳材料或具有导电性的无机材料。它们的解释与对于在“10.氢气产生部分”中的氢气产生部分描述的那些相关，只要没有不一致。
当单个氢气产生催化剂和单个氧气产生催化剂的催化活性小时，可以使用助催化剂，诸如Ni、Cr、Rh、Mo、Co或Se的氧化物或它们的化合物。
另外，用于负载氢气产生催化剂和氧气产生催化剂的方法可以根据材料是：通过将其直接地施加到导体或半导体而执行的方法；PVD方法，诸如气相沉积方法、溅射方法或离子镀方法；干法涂覆方法，诸如CVD方法；或者，电结晶方法。可以在光电转换部分和催化剂之间负载导电物质。另外，当氢气产生和氧气产生的催化活性不足时，在金属或碳的多孔体、纤维物质或纳米粒子上负载催化剂以增大反应表面积，由此可以改善氢气和氧气产生率。
12．板
板14可以被设置在第一气体产生部分8和第二气体产生部分7上，以便与衬底1相对。另外，板14可以被设置使得在第一气体产生部分8和第二气体产生部分7与板14之间设置空间。
另外，板14构成电解液的路径，并且被设置来限制所产生的氢气和氧气，使得它由具有高空气泄漏效率的材料构成。虽然该材料不限于透明或不透明，但是优选的是其为透明的，因为可以观察到产生氢气和氧气。透明板不被特别限制，并且它可以是：透明的刚性材料，诸如石英玻璃、Pyrex（注册商标）或合成石英板；透明的树脂板；或者，膜材料。其中，优选地使用玻璃材料，因为它不透过气体，并且它在化学上和物理上稳定。
13．隔断墙
隔断墙13可以被设置来分开在第一气体产生部分8和在第二气体产生部分7之间的空间。而且隔断墙13可以被设置来分开在第一气体产生部分8和板14之间的空间以及在第二气体产生部分7和板14之间的空间。因此，防止了在第一气体产生部分8和第二气体产生部分7中产生的氢气和氧气混和，使得分别收集氢气和氧气。
另外，隔断墙13可以包含离子交换剂。在该情况下，它可以均衡在在第一气体产生部分8和板14之间的空间中的电解液与在第二气体产生部分7和板14之间的空间中的电解液之间变得不平衡的质子浓度。即，质子离子移动通过隔断墙13，以消除在质子浓度上的不平衡。
隔断墙13可以被设置使得如图2中所示与板14接触，或者可以被设置使得如图7中所示在板14和隔断墙13之间留下空间。当如图7中所示设置它时，可以更容易地消除在质子上的不平衡。另外，隔断墙13可以具有孔。在该情况下，可以更容易地消除在质子上的不平衡。另外，即使当在板14和隔断墙13之间设置空间时，可以通过将光电转换部分2的光接受表面面向上而设置氢气产生装置来防止氢气和氧气混和。另外，可以通过在更接近板14的隔断墙13中设置孔来防止氢气和氧气混和。
虽然隔断墙13完全地分离在第一气体产生部分8和板14之间设置的电解液路径15，和在图2中的在第二气体产生部分7和板14之间设置的电解液路径15，隔断墙13可以被设置使得当在上面的电解液路径之间的离子移动上没有麻烦时形成如图7中所示的气体流动路径。在该情况下，如图7中所示，可以通过诸如印刷方法的较低成本手段来设置用于防止所产生的氢气和氧气混和的隔断墙13。在该情况下，衬底1和板14与密封材料16连接。为了提高该结构的稳定性，可以设置隔断墙9使得部分与板14接触。
隔断墙9可以具有与光电转换部分2的背表面平行的带状截面，并且该截面可以具有不小于1cm并且不大于5cm的宽度。此外，它可以具有不小于1cm并且不大于3cm的宽度。根据上面的配置，可以更有效地收集所产生的氢气，并且可以进一步缩短在第一气体产生部分和第二气体产生部分之间的空间，并且可以进一步减小在质子浓度上的不平衡。
在来自电解液的氢气产生量和氧气产生量之间的比率在摩尔比率上是2:1，并且气体产生量在第一气体产生部分8和第二气体产生部分7之间不同。因此，为了将在装置中的水含量保持不变，隔断墙13优选地由透过水的材料构成。隔断墙13可以是由多孔玻璃、多孔氧化锆或多孔矾土构成的无机膜或离子交换剂。
离子交换可以是任何公知的离子交换剂，诸如质子导电膜、阳离子交换膜或阴离子交换膜。
用于质子导电膜的材料不被特别限制，只要它具有质子导电和电绝缘属性，诸如聚合物膜、无机膜或复合膜。
所述聚合物膜可以是：全氟磺酸系列电解质膜，诸如由杜邦制造的Nafion（注册商标）、由Asahi Kasei公司制造的Aciplex（注册商标）或由Asahi Glass有限公司制造的Flemion（注册商标）；或者，碳氢化合物（carbon hydride）系列电解质膜，其由聚苯乙烯磺酸酯或磺化聚醚醚酮等形成。
所述无机膜可以是由玻璃磷酸盐、硫酸氢铯、多磷酸钨（polytungsto phosphate）或多磷酸铵等构成的膜。复合膜由下述部分构成：无机物质，诸如磺化聚酰亚胺系列聚合物或钨酸；以及，有机物质，诸如聚酰亚胺，并且更具体地，由Gore & Associates公司制造的GORE-SELECT（注册商标）或孔填充电解质膜等。此外，当在高温气氛（诸如100℃或更大）中使用它时，所述材料可以是磺化聚酰亚胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸酯（AMPS）、磺化聚苯并咪唑、磷酸化聚苯并咪唑、硫酸氢铯或多磷酸铵等。
所述阳离子交换膜可以是可以移动阳离子的固体聚合物电解质。更具体地，它可以是：氟系列离子交换膜，诸如全氟碳磺酸酯膜或全氟碳羧酸酯膜；浸渍了磷酸的聚苯并咪唑膜；聚苯乙烯磺酸酯膜或磺化苯乙烯-乙烯基苯共聚物膜等。
当在负载电解液中的阴离子迁移数高时，优选地使用阴离子交换膜。作为阴离子交换膜，可以使用可以移动阴离子的固体聚合物电解质。更具体地，它可以是聚邻亚苯基二胺膜、具有铵盐衍生基团的氟系列离子交换膜、具有铵盐衍生基团的乙烯基苯聚合物膜或使用氯甲基苯乙烯-乙烯基苯共聚物胺化的膜等。
当分别通过氢气产生催化剂和氧气产生催化剂来选择性地执行氢气产生和氧气产生并且因此移动离子时，不总是需要诸如用于离子交换的特定膜的构件。当仅要物理地分离气体时，可以使用下面在密封材料中描述的紫外线固化树脂或热固树脂。
14．密封材料
密封材料16是结合衬底1和板14并且密封在氢气产生装置23中流动的电解液和在氢气产生装置23中产生的氢气和氧气的材料。密封材料16优选地是紫外线固化粘合剂或热固粘合剂，但是其种类不受限。所述紫外线固化粘合剂是通过使用具有波长200至400nm的光照射而聚合并且在被照射后在几秒中固化的树脂，并且被划分为自由基聚合类型和阳离子聚合类型，并且自由基聚合类型树脂由丙烯酸酯或不饱和聚酯形成，并且阳离子聚合类型由环氧化物、氧杂环丁烷或乙烯基醚形成。另外，热固聚合物粘合剂可以是有机树脂，诸如酚醛树脂、环氧树脂、三聚氰胺树脂、尿素树脂或热固聚酰亚胺。热固聚合物粘合剂成功地通过下述方式来结合构件：被加热和在热压时在受压条件下聚合，然后在保持被压的同时被冷却到室温，使得不需要紧固构件。除了有机树脂之外，还可以使用具有对于玻璃衬底的高粘合力的混和材料。通过使用混和材料，改善了诸如弹性和硬度的机械特性，并且可以相当大地改善热阻和耐化学性。所述混和材料由无机胶体粒子和有机粘结树脂形，所述无机胶体粒子诸如为二氧化硅，和所述有机粘结树脂诸如为环氧树脂、聚氨酯丙烯酸酯树脂或聚酯丙烯酸酯树脂。
在此，示出密封材料16，但是这不被限制，只要它具有用于结合衬底1和板14的功能，使得其中使用树脂或金属垫片使用诸如螺钉的构件从外部施加物理压力的方法可以偶尔用于增强气密性。
15．电解液路径
电解液路径15可以是在第一气体产生部分8和板14之间的空间以及在第二气体产生部分7和板14之间的空间。另外，电解液路径15可以被隔断墙13隔开。
为了有效地从第一气体产生部分8或第二气体产生部分7除去所产生的氢气和氧气的气泡，可以提供用于在电解液路径内循环电解液的简单装置，诸如泵、风扇或热对流产生装置。
16．进水口、第一气体排放开口、第二气体排放开口、第一气体排放路径和第二气体排放路径
可以通过打开在氢气产生装置23中的密封材料16的一部分来提供进水口18。进水口18被布置来供水，以被转换为氢气和氧气，并且其位置和形状不特别被限制，只要作为原材料的水可以被有效地提供到氢气产生装置，但是优选地根据可流动性和供应的容易性而将其设置在氢气产生装置的下部。
另外，在已经在进水口18被设置在下侧地设置了氢气产生装置23后，可以通过打开氢气产生装置23的上部来提供第一气体排放开口20和第二气体排放开口19。另外，可以在第一气体产生部分的短侧之一的外部设置第一气体排放开口20，在第二气体产生部分的短侧之一的外部设置第二气体排放开口19。另外，可以横过隔断墙13分别在第一气体产生部分20侧上和在第二气体产生部分19侧上设置第一气体排放开口20和第二气体排放开口19。
另外，第一气体排放开口20和第二气体排放开口19两者是多个。并且它们可以被设置使得交错地排列。另外，所述多个第一气体排放开口20可以与一个第一气体排放路径25导通，并且所述多个第二气体排放开口19可以与一个第二气体排放路径26导通，如图8中所示。由此，可以容易地收集所产生的氢气，并且可以改善方便性。
通过提供如上所述的进水口18、第一气体排放开口20、第二气体排放开口19、第一气体排放路径25和第二气体排放路径26，氢气产生装置23可以被设置使得光电转换部分2的光接受表面在它面向上的条件下相对于水平表面倾斜，并且进水口18位于下侧上，并且第一气体排放开口20和第二气体排放开口19位于上侧上。在该设置中，可以从进水口18向氢气产生装置23内引入电解液，并且使用电解液来填充电解液路径15。当光在该状态中进入氢气产生装置23时，分别在氢气产生部分和氧气产生部分中依序产生氢气和氧气。所产生的氢气和氧气可以被隔断墙13分离，并且，氢气和氧气上升到氢气产生装置23的上部，并且可以从第一气体排放路径25和第二气体排放路径26收集。
17．电解液
电解液是包含电解质的水溶液，诸如包含0.1M的H2SO4的电解液或包含0.1M的磷酸钾的缓冲溶液。
示例
将参考下面的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于这些示例。
1．示例1
产生如图1至3中所示的下面的氢气产生装置。
在所产生的氢气产生装置中，在作为衬底1的玻璃衬底上形成作为第一电极4的SnO2薄膜。由a-Si层和a-Si层形成的三结光电转换部分3被层叠在第一电极4上，并且在其上设置由透明电极层形成的第二电极5，该透明电极层由氧化铟锡（ITO）构成。在第二电极5上设置用于负载氢气产生催化剂的氢气产生部分（第一气体产生部分8），而设置用于负载氧气产生催化剂的氧气产生部分（第二气体产生部分7）使得使用绝缘部分11与第二电极5分离，绝缘部分11由聚酰亚胺形成，并且通过由Ag糊状物的第二导电部分10连接到第一电极4。多个氢气产生部分和多个氧气产生部分串联地排列，作为水流路径的电解液路径15被设置使得具有其中电解液在氢气产生部分和氧气产生部分的层上流动的结构，并且使得被夹在衬底1和玻璃板14之间，并且，由玻璃过滤器形成隔断墙13被设置在氢气产生部分和氧气产生部分之间，以防止氢气和氧气混和。以下，将详细描述其产生过程。
作为衬底1和第一电极4，使用利用由Asahi Glass有限公司制造的二氧化锡（SnO2）涂覆的U型玻璃衬底。
然后，通过等离子体CVD方法来形成a-Si膜。首先，将衬底温度设置为150℃，并且使用作为主气体的硅烷（SiH4）和CO2、作为掺杂气体的乙硼烷（B2H6）和作为稀释气体的氢气，从具有膜厚度20nm的a-SiO制成p层。然后，使用下述方式来形成具有pin结的光电转换层：使用作为主气体的SiH4和作为稀释气体的氢气来形成具有厚度200纳米的a-SiO的i层的膜，然后使用作为主气体的SiH4和CO2、作为掺杂气体的PH3和作为稀释气体的氢气来形成具有厚度10nm的a-SiO的n层的膜。其后，通过类似的方法来形成具有pin结的另外两个光电转换层，并且，形成由三个光电转换层构成的光电转换部分2。然后，通过溅射方法来形成具有厚度200nm的ITO膜。所产生的光电转换部分2和第二电极5进行光刻处理，其中，（1）向硅薄膜施加抗蚀剂，（2）以光掩模来暴露抗蚀剂，以在抗蚀剂上形成掩模图案的潜像，（3）将抗蚀剂显影和图案化，并且蚀刻薄膜，并且（4）除去抗蚀剂，从而图案化以形成接触孔。
然后，为了形成绝缘部分11以将第二光电转换部分10从光电转换部分2和第二电极5绝缘，通过经由旋涂方法施加原材料并且烘烤它来形成聚酰亚胺膜。然后，通过丝网印刷方法来向衬底上施加Ag糊状物，并且在其上布置氧化铱，由此在接触孔中形成第二导电部分10，并且通过热处理来形成氧气产生部分。另外，通过溅射方法在第二电极5上形成Pt膜，以形成氢气产生部分。
在氢气产生催化剂和氧气产生催化剂与衬底和板之间布置了多孔玻璃隔断墙9，并且使用由抗酸环氧树脂形成的密封材料13来连接隔断墙，由此产生根据本发明的氢气产生装置。
2．示例2
在下面的条件下产生如图5中所示的氢气产生装置。
通过与在示例1中相同的方法来在衬底1上形成光电转换部分2、第二电极5、绝缘部分11、第二导电部分10、氧气产生部分（第二气体产生部分7）和氢气产生部分（第一气体产生部分8）。在此，该示例与示例1不同在：沿着第二气体产生部分7的纵轴方向设置具有第二导电部分10的接触孔。在该情况下，因为接触孔的数量减少，所以可以防止接触缺陷，并且可以形成接触使得即使当第二气体产生部分7的宽度变窄时接触孔的截面面积也比连接到第二导电部分10的第二气体产生部分7的宽度窄，使得可以有效地产生氢气和氧气。
3．示例3
在下面的条件下产生如图7中所示的氢气产生装置。
通过与在示例1中相同的方法来在衬底1上形成光电转换部分2、第二电极5、绝缘部分11、第二导电部分10、氧气产生部分（第二气体产生部分7）和氢气产生部分（第一气体产生部分8）。
然后，如图7中所示，通过经由丝网印刷方法向在第一气体产生部分8和第二气体产生部分7之间的位置施加热固聚酰亚胺来形成隔断墙13，使得可以有效地收集气体，然后，通过使用密封材料连接在衬底侧上的材料和板来密封装置。因此，产生氢气产生装置。
4．示例4
在下面的条件下产生如图6中所示的氢气产生装置。
通过与在示例1中相同的方法来在衬底1上形成光电转换部分2、第二电极5、绝缘部分11、第二导电部分10、氧气产生部分（第二气体产生部分7）和氢气产生部分（第一气体产生部分8）。在这个示例中，与示例1的差别是第一气体产生部分8和第二气体产生部分7的宽度与示例1的那些不同。当电解水分子时，氢气分子和氧气分子以一个氢气分子对0.5个氧气分子的比率形成，使得催化剂层的宽度可以基于催化剂的活性和催化剂的负荷变化，并且保持平衡。
5．示例5
在根据示例1产生的氢气产生装置中，氧气产生部分被产生如下。
向具有作为隔断墙的玻璃过滤器的玻璃电化学电池的阴极侧施加包含0.1M的磷酸钾并且具有pH 7的缓冲溶液和0.5mM的硝酸钴，并且向其阳极侧施加包含0.1M的磷酸钾并且具有pH 7的缓冲溶液。在阴极侧上在电解液中浸渍多孔碳，并且在阳极电解液中浸渍Pt网，以电连接两侧，然后向其施加1.29V（对NHE）的电势，由此在多孔碳上电化学地负载磷酸钴。在示例1中的氢气产生装置的第二气体产生部分7上形成如上所述产生的氧气产生催化剂，使得表面积可以大，并且可以在该装置中改善氧气产生速率。
6.示例6
将根据示例1产生的氢气产生装置倾斜使得日光可以在垂直方向上进入光接受表面。在从进水口18灌注包含0.1M的H2SO4的催化剂使得其液体表面达到第一气体排放开口20和第二气体排放开口19附近并且被使用日光照射后，通过气相色谱法确认分别从第一气体产生部分8和第二气体产生部分7产生氢气和氧气，并且分别从第一气体排放开口20和第一气体排放开口20排放氢气和氧气。
7．示例7
将在第二气体产生部分7中具有根据示例5产生的氧气产生催化剂的氢气产生装置倾斜，使得日光可以在垂直方向上进入光接受表面。在从进水口18灌注包括包含0.1M的磷酸钾并且具有pH 7的缓冲溶液的电解液使得其液体表面达到第一气体排放开口20和第二气体排放开口19附近并且被使用日光照射后，通过气相色谱法确认分别从第一气体产生部分8和第二气体产生部分7产生氢气和氧气，并且分别从第一气体排放开口20和第一气体排放开口20排放氢气和氧气。因此，确认可以甚至使用中性电解液来产生氢气。
工业上的适用性
根据本发明的氢气产生装置被用作能量产生装置，用于通过使用来自日光的能量分解水来产生氢气和氧气。因此，可以在家中、在氢气站和大型氢气产生工厂现场产生氢气。
符号的说明
1：衬底1，2：光电转换部分，4：第一电极，5：第二电极，7：第二气体产生部分，8：第一气体产生部分，9：第一导电部分，10：第二导电部分，11：绝缘部分，13：隔断墙，14：板，15：电解液路径，16：密封材料，18：进水口，19：第二气体排放开口，20：第一气体排放开口，23：氢气产生装置，25：第一气体排放路径，26：第二气体排放路径，28：光电转换层，30：半透明电极，31：背面电极，33：第三导电部分，35：半导体区域，36：p型半导体区域，37：n型半导体区域，40：隔离，42：槽隔离，44：第五导电部分，45：第四导电部分
Claims (31)
1.一种氢气产生装置，其包括：
光电转换部分，其具有光接受表面和背表面；和
第一气体产生部分和第二气体产生部分，它们被设置在所述背表面上，其中，
所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分之一是氢气产生部分，用于从电解液产生H2，其另一个是氧气产生部分，用于从所述电解液产生O2，
所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分的至少一个是多个，并且
所述光电转换部分电连接到所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分，以便通过所述光电转换部分的光接受产生的电动势被供应到所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，交错地和并排地设置所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其还包括在所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分之间的隔断墙。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述隔断墙被设置来将在所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分之间的空间分开。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其中，所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分基本是矩形的，并且所述第一气体产生部分的长边被设置得通过所述隔断墙与所述第二气体产生部分的长边邻接。
6.根据权利要求5所述的装置，其还包括：在所述第一气体产生部分的短边之一的外部设置的第一气体排放开口和在所述第二气体产生部分的短边之一的外部设置的第二气体排放开口，其中
彼此临近地设置所述第一气体排放开口和所述第二气体排放开口。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第一气体排放开口和所述第二气体排放开口两者是多个，并且所述多个所述第一气体排放开口与一个第一气体排放路径导通，并且所述多个所述第二气体排放开口与一个第二气体排放路径导通。
8.根据权利要求3至7的任一项所述的装置，其中，所述隔断墙包含离子交换材料。
9.根据权利要求1至8的任一项所述的装置，其中，所述第一气体产生部分电连接到所述光电转换部分的背表面，并且，所述第二气体产生部分通过第一导电部分电连接到所述光电转换部分的光接受表面。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，经由绝缘部分在所述光电转换部分的背表面上设置所述第二气体产生部分。
11.根据权利要求10所述的装置，其还包括在所述光电转换部分的背表面和所述第一气体产生部分之间设置的第二电极。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述第二电极和所述绝缘部分对于所述电解液具有耐腐蚀性和液体阻挡性能。
13.根据权利要求10至12的任一项所述的装置，其中，所述绝缘部分被设置使得覆盖所述光电转换部分侧面。
14.根据权利要求9至13的任一项所述的装置，其中，所述第一导电部分包括与所述光电转换部分的光接受表面接触的第一电极和分别与所述第一电极和所述第二气体产生部分接触的第二导电部分。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述第二导电部分被设置在穿透所述光电转换部分的接触孔中。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述第二导电部分具有与所述光电转换部分的所述光接受表面平行的截面，并且所述截面具有与所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分的柱平行的细长形状。
17.根据权利要求14所述的装置，其中，所述第二导电部分被设置使得覆盖所述光电转换部分侧面。
18.根据权利要求9至13的任一项所述的装置，其中，所述第一导电部分包括与所述光电转换部分的所述光接受表面接触的第一电极，并且所述第一电极与所述第二气体产生部分接触。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述第二气体产生部分被设置使得覆盖所述光电转换部分侧面。
20.根据权利要求1至19的任一项所述的装置，其中，在半透明的衬底上设置所述光电转换部分。
21.根据权利要求1至20的任一项所述的装置，其中，所述光电转换部分具有光电转换层，所述光电转换层由p型半导体层、i型半导体层和n型半导体层形成。
22.根据权利要求1至21的任一项所述的装置，其中，所述光电转换部分包括多个串联的光电转换层，并且，所述多个光电转换层向所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分输出通过接收光而产生的电动势。
23.根据权利要求22所述的装置，其中，每一个光电转换层与第三导电部分串联。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述第三导电部分包括在所述光电转换层的所述光接受表面侧上设置的半透明电极和在所述光电转换层的背表面一侧上设置的背侧电极。
25.根据权利要求1至9的任一项所述的装置，其还包括：在所述光电转换部分的所述背表面和所述第二气体产生部分之间设置的绝缘部分；以及，在所述绝缘部分和所述第二气体产生部分之间设置的第四导电部分。
26.根据权利要求1至9和25的任一项所述的装置，其还包括：在所述光电转换部分的所述背表面和所述第一气体产生部分之间设置的绝缘部分；以及，在所述绝缘部分和所述第一气体产生部分之间设置的第五导电部分。
27.根据权利要求1至26的任一项所述的装置，其中，所述氢气产生部分和所述氧气产生部分分别包括用于从所述电解液产生H2的反应的催化剂和用于从所述电解液产生O2的反应的催化剂。
28.根据权利要求27所述的装置，其中，所述氢气产生部分和所述氧气产生部分的至少一个是负载催化剂的多孔导体。
29.根据权利要求1至28的任一项所述的装置，其中，在半透明的所述衬底上设置所述光电转换部分，并且
所述装置还包括：在所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分上设置的板，其被设置使得与所述衬底相对；以及，在所述第一和所述第二气体产生部分与所述板之间设置的空间。
30.根据权利要求29所述的装置，其还包括在所述第一气体产生部分和所述第二气体产生部分之间的隔断墙，其中，所述隔断墙被设置来将在所述第一气体产生部分和所述板之间的空间与在所述第二气体产生部分和所述板之间的空间分开。
31.一种用于产生氢气的方法，该方法包括如下步骤：
设置根据权利要求1至30中的任一项所述的氢气产生装置，使得所述光电转换部分的所述光接受表面相对于水平表面倾斜；
通过下述方式来分别从所述氢气产生部分和所述氧气产生部分产生氢气和氧气：从所述氢气产生装置的下部向所述氢气产生装置引入所述电解液，并且使用日光来照射所述光电转换部分的所述光接受表面；并且
从所述氢气产生装置的上部排放所述氢气和所述氧气。
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