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光エネルギー変換材料の機能を操作する新方法発見 太陽電池の高効率化へ道

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光エネルギー変換材料の機能を操作する新方法発見 太陽電池の高効率化へ道

東北大学および理化学研究所などは、光エネルギー変換材料である二酸化チタン(TiO2)の機能を制御する新しい方法を解明したと発表した。

TiO2は、光触媒・太陽電池・触媒・色材・半導体など様々な機能を示す金属酸化物であり、工業的に広く用いられている。これらの機能は、水素イオン・酸素欠損・格子間チタンイオンなどの原子欠陥(材料構造の乱れ)に強く関わっており、原子欠陥を自在に操作することで、高性能な光触媒、太陽光発電など、既存の機能を飛躍的に向上させることや、これまでにない新規な機能を開拓することができると考えられている。

本研究では、電場と電子のコンビネーションでTiO2の材料構造の乱れ(欠陥)を操作する新規な機構を明らかにした。

今回の原子欠陥の操作法を用いれば、非常に活性の高い光触媒や、飛躍的に高い発電効率を持つ太陽電池など、性能を著しく向上させた製品の開発や、これまでにない革新的な機能の創成に発展することが期待される。

研究の背景

TiO2は、藤嶋昭東京理科大学学長らによって見出された本多藤嶋効果(TiO2と白金Ptを電極として水に浸け、TiO2に光を当てると水が分解され、TiO2極から酸素、Ptから水素が発生し、両電極間に電流が生じる現象)などを示す非常に有名な光エネルギー変換材料である。

これまでは、加熱や光励起といった方法で粗く原子欠陥の量を変化させる方法が知られていた。しかし、原子欠陥の量や種類の精密な制御など、原子欠陥を自在に操作する方法はこれまで詳細が解明されておらず、欠陥操作による新規な機能の開拓は未だ達成されていない。

研究の概要

本研究グループは、走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて、TiO2の代表的な原子欠陥である水素イオンを原子レベルで一つずつ直接観測し、STMの探針からの電場と電子の刺激を用いて単一の水素イオンを選択的に脱離させた。さらに、新規な計算技術などによって、この反応機構を解明するに至った。

その結果、この反応機構は、電場による水素イオン脱離の反応障壁(化学反応を引き起こすために越えなければならないエネルギー)の幅の減少と、電子からの励起とが協同することで、量子トンネル効果(通常は超えられない反応障壁を量子的な効果により突き抜ける現象)が誘発され水素イオンが脱離する、というものであることが分かった。これは、これまでに見出されたことがない新しい化学反応であり世界で初めて明らかとなった反応機構である。

本研究により、光エネルギー変換材料として最も重要なTiO2の原子欠陥を操作する新たな反応機構が明らかとなったことから、光触媒、太陽電池などの性能を飛躍的に向上させるなど、太陽光の利用の可能性をさらに広げることが期待される。

なお、本研究は、東北大学および理化学研究所のほか、東京大学、千葉大学、University College of Londonの研究者が参画して行われた。

【参考】
理化学研究所 - 新原理で原子を操作(PDF)

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