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太陽光発電研究センター

エネルギー・環境領域
 

機能性材料チーム(Advanced Functional Materials Team)

 

研究の目的

  • 半導体光触媒や光電極を用いた人工光合成の高性能化技術の開発
  • 計算化学を用いた色素増感太陽電池の材料設計
  • 太陽エネルギーを効率良く利用するための様々な要素技術開発

アプローチ

太陽エネルギーは再生可能エネルギーの中で最も膨大であり、太陽光発電だけでなくその利用技術の拡大は非常に重要です。太陽エネルギーはエネルギー密度が希薄で天候に左右されやすいという重大な欠点があり、単位面積当たりの効率と経済性の向上およびエネルギー蓄積の取り組みが不可欠になります。色素増感太陽電池および半導体光電極・光触媒を用いた人工光合成技術は、溶液中の光電気化学反応を基本として、図1に示すような類似した反応機構で動作しています。共通する知見を有効利用しながら高性能な材料開発を行っています。色素増感太陽電池は酸化チタン粉末などの安価な半導体素材を利用し、真空設備やクリーンルームを使わない簡易な塗布製造プロセスが特徴であり、将来の大幅なコストダウンが期待されている次世代太陽電池の一つです。また、人工光合成は太陽エネルギーを直接化学エネルギーに変換・蓄積する技術であり、簡易調製できる可視光応答性の半導体光電極膜や光触媒粉末を用いて、水分解による低コスト水素製造や有用化学品製造などを行っています。

研究内容

色素増感太陽電池の研究においては、高性能で安定な金属錯体色素の開発のために計算化学を用いた物性評価手法(図2)を活用しています。半導体光電極の研究では、水を水素と酸素に分解するだけではなく、過酸化水素や次亜塩素酸、過硫酸などの様々な有用化学品を効率良く製造できることを見出しています(図3)。これらの化学品は電子当たりのコストが非常に高く、従来技術と比べて大きなCO2排出削減効果も期待できます。小規模でも実用化が可能な近未来の人工光合成技術です。また、レドックス媒体として鉄イオンを還元しながら酸素を製造する光合成模倣型反応を効率良く行う光触媒を開発してきました(図4)。この反応と電解装置と組み合わせることで低コストな水素製造が期待できます。さらに派生技術として高性能な可視光応答性のWO3系環境浄化光触媒(図5)も開発しており実用化に貢献しています。内装建材をはじめとして防藻や漂白などの様々な用途へ展開するために企業と連携して具体的な製品化を目指しています。環境浄化用可視光応答型光触媒の製品化を進める企業に対して技術相談、特許の実施許諾、製品開発のための共同研究を幅広く行います。また光触媒材料の信頼性を担保するために性能試験方法の標準化にも取り組んでおり、JIS R 1753「ファインセラミックス−可視光応答形光触媒材料のセルフクリーニング性能試験方法−水接触角の測定」の制定を実現しました。



図1

図1.(a)色素増感太陽電池、(b)半導体光電極、(c)光触媒の原理
 参考: 産総研 太陽光発電研究 2015 成果報告会資料

図1
 図2.計算化学を用いた色素増感太陽電池の研究
    量子化学計算を行い色素分子軌道(HOMO,LUMO)等の物性を事前に評価し、近赤外光まで利用できるような高性能色素増感太陽電池の設計に生かしています。
 
T. Funaki, H. Kusama, et al. Eur. J. Inorg. Chem. 2014, 1303

 

図1
 図3.半導体光電極を用いた水素と高付加価値の有用化学品製造
    過酸化水素や次亜塩素酸、過硫酸等の高付加価値の有用化学品を水素と同時製造することで経済性を高めて早期の実用化を目指しています。
 参考:産総研プレスリリース 2015/03/06

図1図1

図4.レドックス媒体を用いた光触媒―電解ハイブリッドによる低コスト水素製造
    鉄レドックスイオンと粉末光触媒による光合成模倣反応で世界最高の太陽エネルギー変換効率を達成しています。
 参考:産総研科学誌シンセシオロジー   
     
産総研プレスリリース 2010/03/11

図1
 図5.高性能な可視光応答性のWO3系環境浄化光触媒
 参考:産総研プレスリリース 2008/07/09   
     産総研 TODAY 2013-07 P18


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