ソーラー燃料製造に向けた複合型デバイスの作製
Development of Integrted Devices for Solar-to-Fuel Production
太陽光を直接燃料へ変換する複合型デバイスの開発に取り組んでいます。この複合型デバイスは、半導体層、光吸収層、太陽電池層、キャリア輸送層、および触媒層を統合した構造を持ち、太陽光から化学エネルギーへの高効率な変換を可能にします。化学エネルギーへの変換過程において、基本となるのが光電気化学（Photoelectrochemistry, PEC)です。特に、水の還元反応による水素生成反応（Hydrogen evolution reaction, HER)や、二酸化炭素の還元による燃料への変換プロセスに着目しており、持続可能なエネルギーソリューションに貢献できるよう研究に取り組んでいます。
図1は、p型半導体とn型半導体からなる光電極を複合化させて水中に浸漬し、p型とn型の両方に光を照射したときのバンドアライメントを示しています。p型半導体からなる光電極は水素生成反応（HER)を駆動し、n型半導体からなる光電極は酸素生成反応（Oxygen evolution reaction, OER）を駆動します。バイアス電圧を外部から印加することなく水を水素と酸素に完全分解することができることから、ソーラー燃料（特に水素）を太陽光と水のみから製造可能なデバイスとなります。
図1. p型とn型の半導体光電極を直列に接続して光を照射したときのバンドアライメント.
p型半導体光電極を太陽電池に置き換えることで、同様に水を完全に分解できる複合型デバイスを作製できます。図2では、太陽電池とn型半導体光電極（この場合は半透明な光電極）を組み合わせたデバイスの模式図を示しています。このデバイスは、太陽電池を中心に半透明な光電極と電極触媒が接続されており、太陽光のみで水の分解反応を行い、ソーラー燃料である水素を生成できます。我々は、電極触媒や半導体光電極に求められる特性に対応できる材料の開発や界面設計に取り組んでいます。これは半導体物理、電気電子工学、触媒化学、電気化学、光化学といった複数の専門分野が結集した、挑戦的な研究テーマです。
図2. 半透明な光電極/太陽電池/電極触媒からなる複合型Solar-to-Hydrogen変換デバイスの模式図.