2015 Fiscal Year Annual Research Report
単結晶評価を利用した半導体光触媒の効率制限因子の解明
Publicly Offered Research
| Project Area | Chemical conversion of solar energy by artificial photosynthesis: a breakthrough by fusion of related fields toward realization of practical processes |
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| Project/Area Number |
15H00872
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
加藤 正史 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80362317)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 再生可能エネルギー / 水素 / 半導体物性 / 格子欠陥 / 触媒・化学プロセス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は単結晶光触媒材料における電子・正孔対の再結合機構を明らかにし、光触媒によるエネルギー変換効率を向上させる指針を得ることを目的としている。
H27年度においては、単結晶ルチルTiO2における電子・正孔対の再結合が、結晶面方位に依存すること、またその温度依存性が見えないことを明らかにした。このことは、ルチルTiO2光触媒のエネルギー変換効率を向上させるには、表面の最適化が重要であることをしさせしている。一方で、SrTiO3においては、SiCと同様に結晶のバルクで電子・正孔対が再結合しているということがわかった。また、再結合に対する転位（面・線欠陥）の影響が小さいことも明らかになった。従って、SrTiO3によるエネルギー変換効率を向上させるには、結晶内部の点欠陥密度を低減させることが必要であることがわかった。
またSiCにおいては、結晶内部の欠陥が重要であることがわかっているため、エピタキシャル成長時の基板の再検討を行い、結晶成長条件を変更した。その結果、微傾斜SiC基板上に高品質3C-SiCが成長し、それによりエネルギー変換効率の高い光陰極を作り出せることがわかった。また、その上に金属助触媒を形成することで、より高いエネルギー変換効率が得られること、表面にpn接合を形成することでも性能向上が可能であることがわかった。助触媒を形成した3C-SiC光陰極により、太陽光－水素エネルギー変換効率0.5％を達成した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
単結晶評価により光触媒のエネルギー変換効率制限因子を見出すのが本課題の目的であり、TiO2とSrTiO3の評価については順調に進展している。一方で、SiCを対象とした研究項目については、その過程で予想以上に高品質な結晶が得られた。エネルギー変換効率の定量的な値は、本課題では目標として挙げていないが、高品質な結晶により、従来よりもはるかに高い値が得られたため、計画以上に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は当初の計画であるTiO2、SrTiO3およびSiC結晶の評価を継続していく。特にSrTiO3については結晶内の点欠陥が重要であることがわかったため、それに対する解析を重点的に実施していく。
また、得られた高品質3C-SiC結晶を用いて、その可能性を広げる研究も実施していく。SiC光陰極のみでのエネルギー変換効率のみならず、他の光陽極との組み合わせなどにより、より高い効率での水素生成を狙っていく。
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