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研究のコンセプト

低炭素、低環境負荷型社会の実現には、私たちの暮らしを支えるエネルギーの新しい製造方法や、限られたエネルギーや資源を有効に使う方法など、解決していかなければならない課題が残されています。人類がこれまでに成し遂げてきた幾つもの歴史的変革の多くは,新しい材料の発明により成し遂げられてきました。当研究室では,人類が今直面しているこれらの課題をブレークスルーする新しい材料を創りだし、クリーンエネルギーと省エネルギーを両輪とする21世紀型社会の構築に貢献することを目指しています。

小俣研究室の研究テーマはおおきくわけて3つあります。

 


1.次世代太陽電池材料の開発

1-1. 全酸化物薄膜太陽電池

現在主流の太陽電池はシリコン(Si)を使って作られていますが、シリコンは間接遷移型半導体であるために光を吸収能力が小さく、太陽光を全て吸収するためには厚いシリコンを用いなければなりません。このため太陽電池パネルを作るには、たくさんのシリコンを必要とし、重い、原料コストがかかり価格が高くなる、などの課題があります。これを解決する太陽電池として、カドミウムテルライド(CdTe)やCIGS(Cu(In,Ga)Se2)などの直接遷移型化合物半導体を使った薄膜太陽電池があり、すでに市販されています。しかし、これらのカルコゲナイドと呼ばれるテルル(Te)やセレン(Se)の化合物は、大気中では酸化してしまうので、その製造には多くの電力を必要とする真空プロセスが必要となります。薄膜太陽電池に適した酸化物の半導体があれば、

・酸素には有害性がない

・酸素は地球上に豊富にある元素の一つ

・酸化物は大気中や水中で安定なものが多い

という特長を活かし、安全でかつ低価格な薄膜太陽電池を提供することができます。

私たちの研究室では、この目的に合う酸化物半導体を設計・探索し、β-CuGaO2という新物質を見出しました。β-CuGaO2のバンドギャップは、Si、CdTe、CIGSなどと同様に太陽電池の変換効率が最も高くなる範囲にあり、光の吸収能力もCdTeやCIGSと同水準の薄膜太陽電池に適した物質です。現在は、β-CuGaO2の薄膜化、電子伝導性の制御、p-n接合などの実験とともに第一原理計算による基礎物性の解明の進め、全ての材料を安定な酸化物で作る“全酸化物薄膜太陽電池”や“全酸化物LED”の実現を目指して研究を進めています。

 

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2014年に太陽電池に適したバンドギャップを有する唯一の酸化物(β-CuGaO2)を発見しました。現在はその素子化などに取り組むとともに、引き続き新たな材料の探索をしています。

J. Am. Chem. Soc. 136, 3378-3381(2014). (doi: 10.1021/ja501614n)
J. Appl. Phys. 119, 095701 (2016). (doi: 10.1063/1.4942619)

 

1-2. 超高効率量子ドット太陽電池

シリコンや化合物半導体を使った太陽電池の変換効率は最高でも30%ほどで、私たちが自宅で使う電力を屋根の上の太陽電池だけでまかなうことはできません。より変換効率の高い太陽電池が実現すると、各家庭で電力を受給自足することも可能となるはずです。量子ドットといわれる大きさ数ナノメートルの半導体単結晶には、光の粒(光子)一つが照射されると二つ以上の複数の電子ができる(マルチエキシトン生成)というユニークな性質があります。この性質を利用すると変換効率が50%前後に達する太陽電池が実現でき、量子ドット太陽電池として近年注目を集めています。

私たちの研究室では、太陽電池に適したInAsの量子ドットの安全な製造方法を開発しました。現在は、この製造方法のブラッシュアップとともに、太陽光の照射によって生成した電子を取り出すための量子ドットナノ構造とその作製方法を研究し、超高効率太陽電池の実現を目指して研究を進めています。

 

J. Cryst. Growth, 405, 39–43 (2014). (doi: 10.1016/j.jcrysgro.2014.07.037)
J. Cryst. Growth 416, 134–141 (2015). (doi: 10.1016/j.jcrysgro.2015.01.031)

 


2.次世代燃料電池材料の開発

燃料電池は大規模発電用から家庭用,移動体用まで,様々な分野での実用化が期待されている発電装置で、既に市販もされています。その一つはポリマーを電解質とした100℃以下の低温で作動する固体高分子型燃料電池で、作動温度が低いため反応を促進する貴金属触媒を必要とします。もう一つはイットリア安定化ジルコニア(YSZ)を電解質とする固体酸化物型燃料電池で、酸化物であるYSZ中を酸化物イオン(O2-)が自由に動けるようになるには高温が必要であるため、通常800~1000℃で運転されます。そのため燃料電池システム全体を構成するには耐熱性の高い材料が必要となります。従って、これらいずれの燃料電池も価格が高くなり、各家庭に1台を実現するには価格の低減が必要となっています。

中温作動型燃料電池は250~500℃で作動する燃料電池で、貴金属触媒が不要で廉価な材料でシステムを構成できるため、低コストを実現できる次世代型の燃料電池として期待されています。現在でもこの温度域で作動する燃料電池がないのは、この温度域でプロトン(水素イオン;H+)あるいは酸化物イオンが自在に動き、電解質として使用可能なイオン伝導体がないためです。

私たちの研究室では、中温作動型燃料電池の電解質に適用可能なプロトン伝導性の固体電解質を開発しています。これまでに電荷担体であるプロトンをガラス中に10~20mol・L-1という高い濃度で注入する方法を開発し、この方法を用いて300℃前後の温度域では世界最高クラスのプロトン伝導性のガラス電解質をつくり出しています。現在は、ガラス電解質の更なる高性能化と、ガラス電解質に適した電極材料の開発を行い、中温作動型燃料電池システムの実現を目指して研究を進めています。

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Na+が含まれたガラスにH+を注入するという全く新しい手法で中温域(250~500℃)で使える電解質を作っています。この温度域での伝導度は世界トップレベルに達しています。

J. Electrochem. Soc. 160, E143-E147 (2013). (doi: 10.1149/2.093311jes)
Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 13640-13646(2015). (doi: 10.1039/C4CP05999A)

3. 次世代ディスプレイ・照明材料の開発

発光ダイオード(LED)をバックライトとした液晶ディスプレイは、消費電力が小さく環境負荷の小さいディスプレイとしてテレビやパソコンなどに広く使われています。バックライトのLEDはGaN系の青色LEDと黄色の蛍光体を組み合わせた白色LEDが使われていますが、カラー表示に必要な赤緑青(RGB)の三原色以外の波長成分はフィルターで捨てられているため、投入した電力の一部は捨てられる光を作るために使われ、損失されています。また、既存の白色LEDでは深い赤色の成分が含まれないため、現状の技術では次世代型の高彩度、広色域ディスプレイを実現することはできません。より忠実な色彩を再現するには、LEDの青色光を赤色、緑色へと変換する蛍光体が必要とされています。

次世代太陽電池材料の研究紹介でも登場した大きさ数ナノメートルの半導体単結晶である量子ドットには、大きさに応じて発光色が変わるというユニークな性質があります。この性質を使うと、同じ物質で必要な色の発光を作りだせ、かつ、大きさの分布の調節で発光波長の広がりが小さく純度の高い発光を達成できます。量子ドットを使って、LEDの青色光を赤、緑へと変換すると、フィルターを通過できない“捨てられる光”を作らず、なおかつ、広い色域が達成できるため、忠実な色彩を再現と省エネルギーを両立する液晶ディスプレイが実現します。既にテレビやタブレット端末への搭載も始まっています。現在使われている材料はカドミウムセレナイド(CdSe)量子ドットであり、カドミウムは我が国やEUで規制対象の元素であるため、カドミウムを含まない新たな材料の登場が期待されています。

私たちの研究室では、可視光の発光を達成できるカドミウムを含まない化合物半導体をシミュレーションにより絞り込み、CuInS2をベースとした量子ドットの合成に世界に先駆けて成功しています。量子ドットの優れた発光特性は、ディスプレイや照明だけでなく、紫外線や赤外線の光源としても利用でき、紫外線を発する酸化亜鉛(ZnO)の量子ドットやそれを使った発光素子も実現しています。現在は、より高性能な可視光を発する量子ドットや、より環境にやさしい新しい量子ドット材料の開発を行い、ディスプレイや各種の光源における省エネルギーの達成を目指して研究を進めています。

 

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溶液法(ビーカーフラスコ)で量子ドットを作っています。量子ドットは2010年代後半から実用化がされてはじめており、ホットな話題です。

Chem. Mater. 18, 3330-3335(2006). (doi: 10.1021/cm0518022)
Appl. Phys. Lett. 100, 061104(2012). (doi: 10.1063/1.3682307)
ACS omega. 3, 6, 703 (2018). (doi: 10.1021/acsomega.8b00612)