太陽光からの水素製造、“小指サイズ”の素子で高効率の14％を達成：自然エネルギー

米独の国際研究チームは、小型デバイスで高効率に太陽光で水を電気分解し、水素を製造する技術を開発したと発表した。新技術でのエネルギー変換効率は14％だという。

[三島一孝，スマートジャパン]

　今回研究を実施したのは、ドイツ研究センターヘルムホルツ協会の1組織であるHelmholtz-Zentrum Berlin（HZB）と、イルメナウ工科大学（TU Ilmenau）、フラウンホーファーISE（Fraunhofer ISE、太陽エネルギーシステム研究所）、カリフォルニア工科大学（Caltech）による混成チーム。

　開発したのは、太陽光により直接水を電気分解する技術で、表面を選択的に変更可能なタンデム型太陽電池（積層型太陽電池、構造は複雑になるが光を効率的に利用可能）を採用している。同技術は、国際的学術誌「Nature Communications」に掲載されたもので、小型のデバイスにより、太陽光から水素を製造し、エネルギー変換効率14％を達成したという（図1）。

図1 14％のエネルギー変換効率を達成した水素製造デバイス　出典：Matthias May（論文の筆頭著者）

　カギとなったのは、III-V族半導体（III族元素とV族元素を用いた半導体）のタンデム構造の太陽電池だ。光電気化学プロセスを使用して、これらの表面により効率よく水の電気分解を行えるように表面を制御した半導体システムを実現している。

　論文の筆頭著者であるHZBの物理学者マティアス・メイ（Matthias May）氏は「われわれは、電気的・化学的にアルミニウムーインジウムーリン（AlInP）層と水素発生用の触媒層を効率的に結合することに成功した。これはサブナノメートルスケールで表面の組成をコントロールすることができたためだ」と述べている。

図2 開発した素子の構造。タンデム構造を触媒で覆っている　出典：Matthias May（論文の筆頭著者）

　同構造は長期安定性の改善にも効果が見られたという。最適化を進めた結果、従来は数秒程度だったのが、40時間以上安定して発電を行えるようになったという。最終的には1000時間の安定発電を目指して研究開発を進めていくとしている。

人工光合成の実用化に貢献

　今回開発された技術は「人工光合成」の効率を高める技術として注目を集めている。人工光合成は現状では、光触媒などを利用して水に太陽光を当て、酸素と水素に分解し、この水素を二酸化炭素と合成することで、エネルギー源となり得る有機化合物を生成するという2つのプロセスで実現する。しかし、現状ではエネルギー変換効率が低く、NEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）と人工光合成化学プロセス技術研究組合（ARPChem）が達成した、太陽エネルギー変換効率2％が世界最高効率だといわれている（関連記事）。人工光合成の実用化には、太陽光による水素製造の段階で15％以上の変換効率が求められている。

　太陽光発電から水素を生成する技術は現在、数多くの研究機関で開発が進められており、さまざまな条件で「世界最高効率」が続出している状況だ。2015年4月には理化学研究所が変換効率15.3％の達成を発表（関連記事）。2015年8月にはオーストラリアの研究グループが模擬太陽光源を使った実験で変換効率22.4％の達成を発表（関連記事）した。さらに2015年9月18日には東京大学と宮崎大学が、集光型太陽電池を活用し、太陽光エネルギーの変換効率24.4％を達成したと発表（関連記事）しており、開発競争が過熱している。