nm以下，更优选为5nm以下。
[0075] 图2是示出本实施方式的光化学反应电池的工作原理的剖面图。其中，省略反射 层12、还原电极层13及氧化电极层18。
[0076] 如图2所示，当光从表面侧入射时，入射光通过氧化催化剂层19和氧化电极层18 到达多接合型太阳能电池17。多接合型太阳能电池17吸收光时，生成光激发电子和与其相 对的空穴并将它们分离。即，在各太阳能电池（第一太阳能电池14、第二太阳能电池15及 第三太阳能电池16)中，产生如下的电荷分离：光激发电子迀移到n型的半导体层侧（还原 催化剂层20侧），与光激发电子相对产生的空穴迀移到p型的半导体层侧（氧化催化剂层 19侧）。由此，在多接合型太阳能电池17中产生电动势。
[0077] 这样，多接合型太阳能电池17内产生的光激发电子用于作为负极的还原催化剂 层20中的还原反应，空穴用于作为正极的氧化催化剂层19中的氧化反应。由此，在氧化催 化剂层19附近产生式（1)的反应，在还原催化剂层20附近产生式（2)的反应。
[0078] 2H20 - 4H.+02+4e-.......(1)
[0079] 2C02+4H++4e-- 2CO+2H 20 ? ? ? ? (2)
[0080] 如式⑴所示，在氧化催化剂层19附近，H20被氧化（失电子）生成02和H+。随 后，氧化催化剂层19侧生成的H+经由后述的离子转移路径转移到还原催化剂层2(H则。
[0081] 如式⑵所示，在还原催化剂层20附近，0)2和转移的H+反应，生成一氧化碳（CO) 和H20〇
[0082] 此时，多接合型太阳能电池17需要具有氧化催化剂层19中产生的氧化反应的标 准氧化还原电位与还原催化剂层20中产生的还原反应的标准氧化还原电位的电位差以上 的开路电压。例如，式（1)中的氧化反应的标准氧化还原电位为1.23[V]，式（2)中的还原 反应的标准氧化还原电位为-0. 1[V]。因此，多接合型太阳能电池17的开路电压需要为 1.33[V]以上。予以说明，更优选开路电压需要为包含过电压的电位差以上。更具体地，例 如在式⑴中的氧化反应和式⑵中的还原反应的过电压分别为0.2[V]的情况下，开路电 压期望为1.73[V]以上。
[0083] 不仅式⑵所示的由0)2向CO的还原反应，而且由0)2向HCOOH、CH4、CH3OH、C2H5OH 等的还原反应均为消耗H+的反应。因此，在氧化催化剂层19中生成的H+无法转移到相对 电极的还原催化剂层20的情况下，整个反应的效率降低。与此相比，本实施方式通过形成 使H+转移的离子转移路径来改善H+的传输而实现高的光反应效率。
[0084] 2.光化学反应装置
[0085] 下面，使用图3至图23,说明使用本实施方式的光化学反应电池的光化学反应装 置。
[0086] 〈2-1?第一实施方式〉
[0087] 使用图3至图12说明第一实施方式的光化学反应装置。
[0088] 第一实施方式的光化学反应装置为具备由氧化催化剂层19、还原催化剂层20及 在它们之间形成的多接合型太阳能电池17的层叠体构成的光化学反应电池、和使离子在 氧化催化剂层19和还原催化剂层20之间转移的离子转移路径的例子。由此，可以使氧化 催化剂层19侧生成的H+以高的光反应效率向还原催化剂层20转移，可以通过该H+在还原 催化剂层20侧分解二氧化碳。下面，详细说明第一实施方式。
[0089][第一实施方式的结构]
[0090] 首先，说明第一实施方式的光化学反应装置的结构。
[0091] 图3是示出第一实施方式的光化学反应装置的结构的立体图。图4是示出第一实 施方式的光化学反应装置的结构的剖面图。予以说明，在图3中，省略后述的离子转移路 径。
[0092] 如图3和图4所示，第一实施方式的光化学反应装置具备光化学反应电池、内部含 有光化学反应电池的电解槽31、和作为离子转移路径与电解槽31连接的电解槽流路41。
[0093] 光化学反应电池形成为平板状，通过基板11将电解槽31至少分离为2个。即，电 解槽31具备配置有光化学反应电池的氧化催化剂层19的氧化反应用电解槽45、和配置有 光化学反应电池的还原催化剂层20的还原反应用电解槽46。通过这些氧化反应用电解槽 45和还原反应用电解槽46,可供给各自的电解液。
[0094] 在氧化反应用电解槽45中，充满例如含H20的液体作为电解液。作为这样的电解 液，可举出含有任意电解质的电解液，但优选促进H20的氧化反应的电解液。在氧化反应用 电解槽45中，H20通过氧化催化剂层19被氧化而生成02和H+。
[0095] 在还原反应用电解槽46中，充满例如含有C02的液体作为电解液。还原反应用电 解槽46中的电解液优选具有使0) 2的还原电位降低、离子传导性升高、吸收0)2的0)2吸收 剂。作为这样的电解液，可举出含有咪唑镛离子或吡啶锺离子等阳离子和BF4_或PF6_等阴 离子的盐、在较宽温度范围下为液体状态的离子液体或其水溶液。或者，作为电解液，可举 出：乙醇胺、咪唑或吡啶等胺溶液或其水溶液。胺可以为伯胺、仲胺、叔胺的任一种。作为伯 胺，为甲胺、乙胺、丙胺、丁胺、戊胺、己胺等。胺的烃可以被醇或卤素等取代。作为胺的烃取 代物，例如为甲醇胺或乙醇胺、氯甲胺等。另外，也可以存在不饱和键。这些烃在仲胺、叔胺 中也是同样的。作为仲胺，为二甲胺、二乙胺、二丙胺、二丁胺、二戊胺、二己胺、二甲醇胺、二 乙醇胺、二丙醇胺等。取代的烃可以不同。这一点在叔胺中也是同样的。例如，作为烃不同 的胺，为甲基乙胺、甲基丙胺等。作为叔胺，为三甲胺、三乙胺、三丙胺、三丁胺、三己胺、三甲 醇胺、三乙醇胺、三丙醇胺、三丁醇胺、三丙醇胺、三己醇胺、甲基二乙胺、甲基二丙胺等。作 为离子液体的阳离子，为1-乙基-3-甲基咪唑||离子、1-甲基-3-丙基咪唑傭离子、1- 丁 基-3-甲基咪唑镭离子、1-甲基-3-戊基咪唑傭离子、1-己基-3-甲基咪唑播离子等。另 外，咪唑備离子的2位也可以被取代。例如为1-乙基-2, 3-二甲基咪唑傭离子、1，2-二 甲基-3-丙基咪唑离子、1- 丁基-2, 3-二甲基咪唑鑛离子、1，2-二甲基-3-戊基咪唑 傭离子、1-己基-2, 3-二甲基咪唑锤离子等。作为吡啶徵离子，为甲基吡啶镭、乙基吡啶 ，锤、丙基吡啶播、丁基吡啶镛、戊基吡啶镛、己基吡啶镭等。咪唑镛离子、吡啶镭离子均 可以被烷基取代，也可以存在不饱和键。作为阴离子，可举出氟离子、氯离子、溴离子、碘离 子、8卩 4-、卩卩6-、〇&0)〇-、〇&503-、吣3-、3〇，、化&50 2)3(：-、双（三氟甲氧基磺酰基）酰亚胺、双 (三氟甲氧基磺酰基）酰亚胺、双（全氟乙基磺酰基）酰亚胺等。另外，也可以是用烃将离 子液体的阳离子和阴离子连接而成的两性离子。在还原反应用电解槽46中，0) 2通过还原 催化剂层20被还原而生成碳化合物。另外，水分（H20)也可被还原而生成氢（H2)。
[0096] 予以说明，通过改变电解液中的水分量，可以改变生成的C02的还原物质。例如可 以改变HCOOH、CH4、CH3OH、C2H5OH或氢等的生成比例。
[0097]另外，氧化反应用电解槽45和还原反应用电解槽46中充满的电解液的温度根据 其使用环境可以相同或不同。例如，在用于还原反应用电解槽46的电解液为含有从工厂排 放的C02的胺吸收液的情况下，其电解液的温度高于大气温度。此时，电解液的温度为30°C 以上150°C以下，更优选为40°C以上120°C以下。
[0098]电解槽流路41例如设置在电解槽31的侧方。电解槽流路41的一方连接氧化反 应用电解槽45,另一方连接还原反应用电解槽46。即，电解槽流路41连通氧化反应用电解 槽45和还原反应用电解槽46。
[0099]在该电解槽流路41内的一部分中填充有离子交换膜43,离子交换膜43仅使特定 的离子通过。由此，可以在氧化反应用电解槽45和还原反应用电解槽46之间分离电解液， 同时仅使特定的离子经由设有离子交换膜43的电解槽流路41转移。即，光化学反应装置 具有选择性地通过物质的隔壁结构。在此，离子交换膜43为质子交换膜，可以使氧化反应 用电解槽45中生成的H+转移到还原反应用电解槽46侧。更具体地，作为离子交换膜43， 可举出：Nafion或Flemion这样的阳离子交换膜、Neosepta或Selemion这样的阴离子交换 膜。
[0100] 予以说明，可以使用离子可转移且可分离电解液的物质，例如盐桥这样的琼脂等 来代替离子交换膜43。一般来说，使用以Nafion为代表的那样的质子交换性的固体高分子 膜时，离子转移性（移动性）良好。
[0101] 另外，可以在电解槽流路41上设置泵等循环机构42。由此，可以在氧化反应用电 解槽45和还原反应用电解槽46之间提高离子（H+)的循环。另外，可以设置2个电解槽流 路41，可以使用在其中至少1个电解槽流路41上设置的循环机构42,使离子经由其中1个 电解槽流路41从氧化反应用电解槽45向还原反应用电解槽46转移、并经由另1个电解槽 流路41从还原反应用电解槽46向氧化反应用电解槽45转移。另外，也可以设置多个循环 机构42。另外，为了降低离子的扩散，使离子更有效地循环，也可以设置多个（3个以上）电 解槽流路41。另外，通过输送液体，产生的气体的气泡不会滞留在电极表面或电解层表面， 可以抑制由气泡引起的太阳光散射导致的效率降低和光量分布。
[0102] 另外，通过对多接合型太阳能电池17的表面照射光而利用上升的热使电解液产 生温度差，由此，可以降低离子的扩散、使离子更有效地循环。换言之，可以通过离子扩散以 外的对流促进离子的移动。
[0103] 另一方面，在电解槽流路41内和/或电解槽31内设置调节电解液温度的温度调 节机构44,可以通过控制温度来控制太阳能电池的性能和催化剂的性能。由此，例如为了 稳定和提高太阳能电池和催化剂的性能，可以使反应体系的温度均匀化。另外，为了稳定系 统，也可以防止温度上升。可以通过控制温度来改变太阳能电池和催化剂的选择性，也可以 控制其产物。
[0104] 另外，在本例中，基板11的端部比多接合太阳能电池17、氧化催化剂层19及还原 催化剂层20的端部突出，但不限定于此。基板11、多接合太阳能电池17、氧化催化剂层19 及还原催化剂层20可以为面积相同的平板状。
[0105][第一实施方式的变形例]
[0106]接着，说明第一实施方式的光化学反应装置的变形例。
[0107] 图5至图8是示出第一实施方式的光化学反应装置的变形例1至变形例4的结构 的剖面图。予以说明，在第一实施方式的光化学反应装置的变形例中，主要说明与上述结构 不同的方面。
[0108] 如图5所示，第一实施方式的光化学反应装置的变形例1具备光化学反应电池、内 部含有光化学反应电池的电解槽31、和作为离子转移路径形成在基板11上的开口部51。
[0109] 开口部51例如以将基板11的端部从氧化反应用电解槽45侧贯通至还原反应用 电解槽46侧的方式设置。由此，开口部51连通氧化反应用电解槽45和还原反应用电解槽 46 〇
[0110] 该开口部51内的一部分中填充有离子交换膜43,离子交换膜43仅使特定的离子 通过。由此，可以一边在氧化反应用电解槽45和还原反应用电解槽46之间分离电解液，一 边仅使特定的离子经由设有离子交换膜43的开口部51转移。
[0111] 如图6所示，第一实施方式的光化学反应装置的变形例2具备光化学反应电池、内 部含有光化学反应电池的电解槽31、和作为离子转移路径形成在基板11、多接合型太阳能 电池17、氧化催化剂层19及还原催化剂层20上的开口部51。
[0112] 开口部51例如以将基板11、多接合型太阳能电池17、氧化催化剂层19及还原催 化剂层20从氧化反应用电解槽45侧贯穿至还原反应用电解槽46侧的方式设置。由此，开 口部51连通氧化反应用电解槽45和还原反应用电解槽46。
[0113] 该开口部51内的一部分中填充有离子交换膜43,离子交换膜43仅使特定的离子 通过。由此，可以一边在氧化反应用电解槽45和还原反应用电解槽46之间分离电解液，一 边仅使特定的离子经由设有离子交换膜43的开口部51转移。
[0114] 予以说明，在图6中，是在开口部51内的一部分中形成离子交换膜43,但也可以以 嵌入开口部51内的方式形成离子交换膜43。
[0115] 如图7所示，第一实施方式的光化学反应装置的变形例3具备光化学反应电池、内 部含有光化学反应电池的电解槽31、和作为离子转移路径形成在基板11、多接合型太阳能 电池17、氧化催化剂层19及还原催化剂层20上的开口部51。
[0116] 开口部51例如以将基板11、多接合型太阳能电池17、氧化催化剂层19及还原催 化剂层20从氧化反应用电解槽45侧贯通至还原反应用电解槽46侧的方式设置。由此，开 口部51连通氧化反应用电解槽45和还原反应用电解槽46。
[0117] 另外，以覆盖光化学反应电池的光照射面（氧化催化剂层19的表面）的方式设有 离子交换膜43。由此，开口部51的氧化反应用电解槽45侧被离子交换膜43覆盖。离子交 换膜43仅使特定的离子通过。由此，可以一边在氧化反应用电解槽45和还原反应用电解 槽46之间分离电解液，一边仅使特定的离子经由设有离子交换膜43的开口部51转移。
[0118] 另外，在变形例3中，通过离子交换膜43覆盖氧化催化剂层19的表面。由此，离 子交换膜43作为氧化催化剂层19以及多接合型太阳能电池17的保护层起作用。
[0119] 如图8所示，第一实施方式的光化学反应装置的变形例4具备光化学反应电池、内 部含有光化学反应电池的电解槽31、和作为离子转移路径形成在多接合型太阳能电池17、 氧化催化剂层19及还原催化剂层20上的开口部51。
[0120] 在变形例4中，设有离子交换膜43代替基板11。即，在离子交换膜43的表面形成 有多接合型太阳能电池17和氧化催化剂层19,在背面形成有还原催化剂层20。
[0121] 开口部51例如以多接合型太阳能电池17和氧化催化剂层19从氧化反应用电解 槽45侧贯通至还原反应用电解槽46侧的方式设置、并且以还原催化剂层20从氧化反应用 电解槽45侧贯通至还原反应用电解槽46侧的方式设置。由此，成为开口部51内设置有离 子交换膜43的结构。换言之，可仅通过离子交换膜43来分离氧化反应用电解槽45和还原 反应用电解槽46。
[0122] 离子交换膜43仅使特定的离子通过。由此，可以一边在氧化反应用电解槽45和 还原反应用电解槽46之间分离电解液，一边仅使特定的离子经由设有离子交换膜43的开 口部51转移。另外，不仅在开口部51，而且在突出的离子交换膜43的端部也可以使离子转 移。
[0123] 图9至图11是示出第一实施方式的光化学反应装置的结构的平面图，主要是示出 开口部51的平面形状的一个例子的图。
[0124] 如图9所示，开口部51形成为例如贯通基板11、多接合型太阳能电池17、氧化催 化剂层19及还原催化剂层20,其平面形状为圆形的通孔52。此时，也可以形成多个通孔 52。多个通孔52的配置构成例如为：在第一方向和与第一方向垂直的第二方向为方形格子 状（正方形格子状）。
[0125] 通孔52的直径（圆当量直径）的下限为H+可移动的尺寸，优选为0.3nm以上。予 以说明，圆当量直径定义为（(4X面积）/3!)°_5。
[0126] 予以说明，通孔52的平面形状不限于圆形，可以为椭圆形、三角形或矩形。另外， 多个通孔52的配置构成不限于方形格子状，可以为三角形格子状或无规形状。另外，通孔 52只要具有除了离子交换膜43以外的从氧化催化剂层19至还原催化剂层20连续的空隙 即可，各层的通孔52的直径的大小未必相同。例如从氧化催化剂层19至多接合型太阳能 电池17的通孔52的直径的大小和从还原催化剂层20至多接合型太阳能电池17的通孔52 的直径的大小可以不同。另外，在制造上，即使在通孔52的侧壁产生毛刺或粗糙的情况下， 也不会丧失其效果