北海道大、全太陽光を利用できるナノ材料を開発：水中結晶光合成手法を開発

北海道大学は、水と光を用いてナノ結晶を合成する手法「水中結晶光合成（SPsC）」により、光学的臨界相を有するナノ材料の開発に成功した。開発した材料は、赤外領域を含む全太陽光波長域を利用できるため、これまでにない光熱変換特性などが得られるという。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

非化学量論的タングステン酸から光学臨界相を誘導

　北海道大学大学院工学研究院附属エネルギー・マテリアル融合領域研究センターの渡辺精一教授と張麗華准教授らによる研究グループは2023年8月、水と光を用いてナノ結晶を合成する手法「水中結晶光合成（SPsC）」により、光学的臨界相を有するナノ材料の開発に成功したと発表した。開発した材料は、赤外領域を含む全太陽光波長域を利用できるため、これまでにない光熱変換特性などが得られるという。

　光応答性ナノ粒子を均一に分散させた材料は、太陽光を利用した太陽電池や光触媒などに応用されている。しかし、従来の方法だと利用できた光波長は紫外線と可視光までであった。つまり、太陽光の約40％以上を占める赤外域は利用されておらず、光電変換効率をさらに高めるには、新たな材料開発が必要となっていた。

　研究グループは今回、SPsC手法を活用し銅と酸素の空孔を添加することで、非化学量論的タングステン酸（WO₃・H₂O）から光学臨界相を誘導できるようにした。これにより、ナノ結晶を合成する過程で欠陥の調節を行い、広範囲の太陽光スペクトルを利用することが可能となった。

SPsC法のイメージとSPsCで合成したナノ結晶像［クリックで拡大］ 出所：北海道大学

　具体的には、過酸化水素に溶かしたタングステン溶液中で銅元素の濃度を変えながらドーピングをした。これにより、非化学量論的WO₃・H₂Oの半導体ナノ構造を作製することに成功した。そして、この材料を用いたデバイスが有する、優れた光熱変換特性や光アシスト水蒸発特性および、光電気化学特性を実証した。

　透過型電子顕微鏡による原子構造解析（HRTEM）や、電子線損失分光（EELS）による誘電率、光吸収（係数）の評価を行った。さらに、密度汎関数理論に基づく第一原理計算と紫外線−可視光−近赤外分光分析による吸光度の実測値を比較した。これにより、銅添加元素と酸素空孔の欠陥形成機構を明らかにし、光熱変換特性や光電子変換特性といった光機能発現効果について解明した。

上図は疑似太陽光で照射したCux％−WO₃・H₂O (x＝0−5.8)の光熱変換特性。左下図はステンレスメッシュ上のWO₃・H₂O、Cu1％−WO₃・H₂O、Cu3％−WO₃・H₂OのIRランプによる赤外光水蒸発試験結果。右下図はCu1％−WO₃・H₂Oおよび純WO₃・H₂O粉末試料の光電気化学性能試験結果［クリックで拡大］ 出所：北海道大学