自然エネルギー変換材料

自然エネルギー変換材料の開発

地球環境問題の深刻化や化石燃料の枯渇などの問題から、自然エネルギーを電気/化学エ ネルギーに変換し有効に利用するための技術が注目されている。この様な変換を可能とす る材料の多くは半導体であるが、特性を最大限に発現するためには、形態や組成を厳密に 最適化することが必須となる。更に、環境対策技術であることを考慮すると、これらの材 料を合成する反応条件等は、エネルギー消費が少なく且つ簡素な装置であるべきである。 そこで本研究室では、原材料中の金属錯体や前駆体物質の種類や構造を厳密に制御し、 最適な構造/組成を有し高効率で自然エネルギーを変換可能とする半導体ナノ材料を、 低エネルギー且つ省エネルギー環境下で合成する研究開発を行っている。

光触媒材料

光触媒反応は、材料内部で生成した光励起電子/正孔対が光触媒材料表面に移動し、被反応物質の酸化還元反応を進行させる反応である。ここで、光励起電子/正孔対の移動度や材料内部への励起光の到達可能深度などを考慮すると、光触媒材料として求められる部位は表面のみである(材料内部は不要)。当然、表面積が大きいほど反応サイト数は多くなることから、ナノスケールの材料であることが有利となる。更に、光触媒材料と被反応物質の特性の相関が適切であることが必須となる。そこで本研究室では、下図のようなナノ粒子で構成されたナノレベルのカプセル構造を有する硫化物系半導体材料を開発した。本材料は、ナノ壁内部において酸化物-硫化物によるナノヘテロ接合が形成されており、光励起電子/正孔対の効率的な分離や光励起サイト‐反応サイトの近接などの効果により、極めて高効率で太陽光エネルギーを水素エネルギーに変換することを達成している。

 

太陽電池材料

太陽電池材料は光励起電子を電気エネルギーとして利用するのに対し、光触媒材料は光励起電子を用いて化学反応を進行させ水素等のエネルギーを製造している。即ち、光触媒材料から光励起電子を取りだせば太陽電池として応用可能である。更に、光触媒材料の多くは酸化物や硫化物であり、合成に大きなエネルギーは要しない。そこで本研究室では、光触媒材料を用いた太陽電池の形成を検討している。
 太陽電池製造時の消費エネルギーを低減化することは自然エネルギー利用技術開発の一つの大きなテーマといえる。これを達成する材料としてCIGS系をはじめとする化合物系太陽電池材料の開発が精力的に行われているが、一般的な気相合成法では高特性の部位は限定されるため、省資源省エネルギーとは言い難い。そこで本研究室では、原料溶液中の金属錯体構造を計算を利用して単一化することでその還元電位を厳密に決定し、複数種の金属元素を同時に且つ均質に還元析出する技術開発を行っている。

熱電変換材料

工場などから排出される高温排熱はコジェネレーションシステム等で有効利用されているが、室温~300℃程度の熱の多くは有効利用できない排熱としてそのまま捨てられている。この様な中低温領域の熱を電気に変換することが可能な材料としてBi-Te系熱電変換材料などが知られているが、効率が低いためエネルギー創成材料として実用化されてはいない。この熱電変換材料の効率は、電気伝導率を向上、熱伝導率を低下、させて性能指数Zを増加させることで向上させることが可能であるが、これらは物性値であるため組成等の制御で特性向上が可能となる幅は広くは無い。そこで、ナノ化による構造制御を導入する事で熱電変換特性を向上させることが検討されている。但し、言うまでも無く、同じBi-Te系材料であっても効率は組成や構造により異なる。そこで本研究室では、原料溶液中の金属錯体構造を計算と機器分析を用いて均質化し還元析出速度を制御する技術を開発し、最大特性を発現可能な組成及び構造を単一相で有する熱電変換合金ナノ粒子を、省資源・省エネルギーで合成する技術開発を行っている。