富士通研究所、人工光合成の太陽光エネルギー変換効率を高める材料技術を開発

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富士通研究所は2016年11月7日、人工光合成技術で使用される太陽光と水の相互作用で電子と酸素を発生する明反応電極で、光励起材料をそのまま利用する場合と比較して酸素の発生効率を100倍以上向上させる薄膜形成プロセス技術を開発したと発表した。

水素や有機物などの貯蔵可能なエネルギーを人工的に生成するためには、太陽光のエネルギーを使って光励起材料から反応電子を効率よく取り出し、水やCO2とも効率よく化学反応させることが必要だ。

太陽光と光が反応する明反応電極では、これまで比較的大きい粒子の光励起材料を密度の低い構造で固めた材料が用いられてきた。そのため可視光波長である太陽光の中で利用できる波長の範囲が狭く、化学反応に十分な電流量を取り出すのが困難だった。

今回同社では、フレキシブル実装シート状にキャパシタなどの受動素子を形成するための電子セラミックスの成膜法を改良し、光励起材料の原料粉末をノズルで吹き付ける際に、原料粉末を薄い板状に粉砕しながら基盤上に積層させる薄膜形成プロセス技術を開発した。

光励起材料の原料粉末を成膜後に原子レベルのひずみを持つ結晶構造になるように組成することで、太陽光エネルギーを吸収できる最大波長を、従来の490mmから630mmに拡大。利用可能な光の量を2倍以上にすることができた。

加えて、形成された薄膜はミクロ・マクロな欠陥がないために結晶性が良く、材料中の粒子間の電子伝達特性に優れた緻密な構造を持っている。これにより太陽光で励起された電子を効率的に電極に伝えることができる。

また、材料と水との反応表面積が大きく、材料結晶中の電子密度の高い結晶面が膜表面に規則的に形成された表面構造を持つため、水と光の相互反応を大幅に促進させることができた。

この技術によって、光励起材料をそのまま用いる場合と比較し、太陽光中の利用可能な光の量を2倍に、材料と水の反応表面積を50倍にすることができた。これにより電子および酸素の発生効率を100倍以上に向上させることができた。

今後は、光励起材料とプロセス技術をさらに改良し、明反応の電極の特性向上と暗反応や全体システムの技術開発にも取り組むことで、人工光合成技術の実用化を目指すという。

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