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» 2018年09月03日 07時00分 公開

蓄電・発電機器:「人工光合成」実現を後押し、世界最高の水素変換効率12.5%を達成

NEDOと人工光合成化学プロセス技術研究組合(ARPChem)らの研究グループは、CIGSをベースとした光触媒を開発。これを用いて、水素生成エネルギー変換効率12.5%を達成した。

[スマートジャパン]

 新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)と人工光合成化学プロセス技術研究組合(ARPChem)は、東京大学とともに、太陽電池材料として知られるCIGSをベースとした光触媒で、非単結晶光触媒の中で水素生成エネルギー変換効率(光触媒の水素生成能力を表す性能指数)12.5%を達成したと発表した。

CIGSをベースとした水素生成光触媒の外観(約5cm角) 出典:NEDO

 NEDOは、環境に優しいモノづくりを実現するために、太陽光のエネルギーで水から生成した水素と、工場などから排出されるCO2を合成して、プラスチック原料などの基幹化学品(C2〜C4オレフィン)製造プロセスを実現するための基盤技術開発に取り組んでいる。太陽光は光触媒を活用することでエネルギー源として有効に活用することが可能であり、そのため、光触媒のエネルギー変換効率の向上が重要な課題になる。

 今回、NEDOとARPChemは、東京大学とともに、太陽電池材料として知られるCu(In,Ga)Se2(略称CIGS)をベースに、太陽光のスペクトル強度がピークとなる可視光領域(波長400n〜800nm)の光を吸収する光触媒材料を開発した。

 光触媒は、太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換する機能性材料。太陽光の強度のピークは主に可視光領域(400〜800nm)にあるため、この波長域の光を吸収する光触媒ができれば、効率よく太陽光のエネルギーを利用できる。しかし、従来の光触媒は、吸収波長が主として紫外光領域(〜400nm)に限られるものが多く、可視光から赤外光領域にかけての光を利用できるように、光触媒の吸収波長を長波長化することが課題の一つだった。

 このため、同プロジェクトでは従来よりも長波長の光を吸収する光触媒材料の一つとして、カルコゲナイド系材料(硫化物、セレン化物、テルル化物などの化合物)の開発を進めてきた。中でもCu(In1-x,Ga x)Se2(CIGS)は赤外領域までの太陽光(xの組成比により750〜1230nmまで変化)を利用できるという特徴を持ち、既に太陽電池材料としてメートルスケールの製造技術が確立されている。

 このCIGSはp型半導体であり、その表面にn型半導体を成膜しpn接合を構成することで、光照射によりCIGS固体内で生成した電子と正孔を効率的に分離し、再結合を抑制させることで高い量子効率を得られることが知られていた。今回の研究ではこれらの知見を参考にした上で、二つの工夫により、CIGS中で光照射により生じた電子を用いて、水から高効率で水素を生成させることに成功した。

 工夫の一つは、新規組成のCIGSの開発にある。これにより、高負荷条件ではCIGSとn型半導体の間の障壁が原因で電子が注入されにくくなり、結果的に効率が顕著に低下してしまうという課題をクリアした。もう一つは、大電流密度で水分解反応を進行すると、液相側の電気抵抗をはじめとした効率低下要因が顕在化することを生かした点だ。電解液の成分などを最適化することにより、効率的に水素が得られるようになった。

 これらの取り組みにより、水素生成エネルギー変換効率は、最大で12.5%を達成した。この変換効率は、非単結晶の水素生成光触媒の中で世界最高の特性だという。

最適組成の電解液中における、開発した水素生成光触媒の電流電位曲線(左)と水素生成エネルギー変換効率(右) 出典:NEDO

 今回開発したCIGSをベースとした水素生成光触媒と、従来のBiVO4からなる酸素生成光触媒を用いてタンデム配置した2段型セルを組み立て、疑似太陽光照射下で水の全分解反応を検討した。その結果、太陽光エネルギー変換効率は3.7%を達成した。この値は2016年に公表した太陽光エネルギー変換効率の23%増に相当するという。

左は開発した水素生成光触媒と酸素生成光触媒を用いた2段型セル(タンデム配置)の模式図、右は2段型セルに疑似太陽光を照射した時の太陽光エネルギー変換効率 出典:NEDO

 今後はより高性能な酸素生成光触媒の開発に注力し、研究で得られた水素生成光触媒と組み合わせることで、2021年度末までに太陽光エネルギー変換効率10%の達成を目指す方針だ。

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