| 研究課題/領域番号 |
19H02656
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分31020:地球資源工学およびエネルギー学関連
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| 研究機関 | 筑波大学 |
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研究代表者 |
櫻井 岳暁 筑波大学, 数理物質系, 教授 (00344870)
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| 研究分担者 |
小澤 健一 東京工業大学, 理学院, 助教 (00282822)
池田 茂 甲南大学, 理工学部, 教授 (40312417)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2021年度)
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| 配分額 *注記 |
17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)
2021年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2020年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
2019年度: 12,090千円 (直接経費: 9,300千円、間接経費: 2,790千円)
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| キーワード | 光触媒 / スパッタリング / 多元化合物 / 光電極 / スパッタ法 / 水分解光触媒 / 少数キャリア拡散 / バンド傾斜構造 / スパッタ / 少数キャリア / BiVO4薄膜 / 欠陥準位 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
光触媒へのバンド傾斜の導入により少数キャリアフローを制御し、高効率な水分解薄膜デバイスの開発を目指す。酸素発生には正孔を供給する必要のあることから、本研究ではn型半導体の価電子帯バンド傾斜構造を作製し、正孔を効果的に試料表面に集めることを試みる。具体的に、現在Zスキーム型光触媒で可視光応答酸素発生電極として広く利用され、他材料より反応効率が極めて高いBiVO4薄膜（バンドギャップ2.4eV）を出発材料とし、元素置換によりエネルギー構造を制御する。この試料の光電極反応を評価・計測し、バンド傾斜のない試料と比較し少数キャリア拡散長、反応効率を劇的に増やすことを目標とする。
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| 研究成果の概要 |
Zスキーム光電極系において、系全体の反応のボトルネックである酸素発生電極の開発に焦点を絞り、バンド傾斜構造の導入を試みた。具体的にはアニオン置換構造を電極に導入し、価電子帯のエネルギーを制御し、酸素の分解反応を促進するのが狙いである。本研究では、(1)バナジン酸ビスマス（BiVO4）薄膜のスパッタリング成膜法を確立した後、(2) 硫黄によるBiVO4のアニオン置換を試みた。その結果、自己フラックスの形成によるBiVO4薄膜の高品質結晶成長をスパッタリング法にて確認した。また、硫黄雰囲気下アニールによるBiVO4の硫黄置換、ならびに光電流の改善を確認した。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
光触媒を電極に利用した二段階光励起光電極系では、水素発生電極と酸素発生電極を分離して活用するため材料選択の幅が広がり、原理的には広い光吸収帯域をカバーすることも可能になる。このため、触媒反応の高効率化が期待でき注目を集めている。本研究にて提案したスパッタリング法を用いて光電極を安価に大面積で再現性良く成膜可能になれば、将来の高効率大面積水素製造が可能になるものと期待される。さらにアニオン置換によるバンドエンジニアリングは、エネルギー変換効率を高める一つの手段として、学術的にも応用面でも意義のある研究と言える。
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