今回開発した材料の太陽光の反射率
(図:富士通研究所のプレスリリースより)
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今回開発した薄膜形成プロセス技術。原料粉末を薄い板状に破砕しながら基板上に積層させる
(図:富士通研究所のプレスリリースより)
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人工光合成の明反応電極部の材料構造 。膜表面付近は電子密度の高い結晶面が規則正しく並んでいる
(写真:富士通研究所のプレスリリースより)
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 富士通研究所は2016年11月7日、人工光合成技術において、酸素の発生効率を100倍以上向上させる新しい薄膜形成プロセス技術を開発したと発表した(ニュースリリース)。地球温暖化の問題ならびに化石エネルギー枯渇の問題を解決するためのエネルギー・環境に関する基盤技術のひとつとして、将来に向けた持続可能な社会実現に貢献することが期待される。

 人工光合成とは、太陽光・水・二酸化炭素を用いて酸素・水素・有機物などの貯蔵可能なエネルギーを人工的に生成する技術。従来、太陽光と水が反応する明反応の電極において、半導体材料や、比較的大きい粒子状の光励起材料を密度の低い構造で固めた材料が用いられていたが、太陽光(可視光波長)の中で利用できる波長の範囲が狭いことから、化学反応に十分な電流量を取り出すのが困難だった。

 今回、フレキシブル実装シート上にキャパシタなどの受動素子を形成するための電子セラミックスの成膜法(ナノパーティクルデポジション(NPD))を改良し、光励起材料の原料粉末をノズルで吹き付ける際、原料粉末を薄い板状に破砕しながら基板上に積層させる薄膜形成プロセス技術を開発した。

 光励起材料の原料粉末を、成膜後に原子レベルのひずみを持つ結晶構造となるような組成にすることで、太陽光のエネルギーを吸収できる最大波長を従来の490nmから630nmへと広げ、利用可能な光の量を2倍以上に向上した。形成された薄膜は結晶性が良く、材料中の粒子間の電子伝達特性に優れた緻密な構造となる。

 また、膜表面に電子密度の高い結晶面が規則正しく並んだことで、材料と水との反応表面積が50倍以上に拡大した。これにより、電子および酸素の発生効率を100倍以上に向上できることを確認した。なお、材料内部の構造解析は東京大学と共同で実施した。

 今後、光励起材料とプロセス技術のさらなる改良を進め、明反応の電極の特性向上を図るとともに、暗反応部(二酸化炭素還元反応)・全体システムの技術開発についても取り組み、人工光合成技術の実用化を目指す。同技術の詳細は、英科学誌「Scientific Reports」オンライン版に2016年10月19日(現地時間)掲載された。