エネルギー技術実用化に追い風「シリコンと窒化ガリウムの自己改善特性」発見

ローレンス・バークレー国立研究所らの共同研究チームは、光と水を炭素を含まない水素に変換する際の高効率かつ安定した性能に寄与する、シリコンと窒化ガリウムの自己改善特性を発見しました。
人工光合成技術や水素燃料電池の実用化を飛躍的に促進するものです。

But silicon and gallium nitride are abundant and cheap materials that are widely used as semiconductors in everyday electronics such as LEDs (light-emitting diodes) and solar cells, said co-author Zetian Mi, a professor of electrical and computer engineering at the University of Michigan who invented Si/GaN artificial photosynthesis devices a decade ago.

参照元：https://newscenter.lbl.gov/2021/04/05/hydrogen-fuel-self-improvement/
– ローレンス・バークレー国立研究所 Lawrence Berkeley National Laboratory.  April 5, 2021 –

3年前、ミシガン大学の科学者たちは、シリコンと窒化ガリウム（Si/GaN）でできた人工光合成デバイスを発見しました。

このデバイスは、太陽光を利用して炭素を含まない燃料電池用の水素を生成するもので、従来の技術に比べて2倍の効率と安定性を備えています。

このたび、米国エネルギー省のローレンス・バークレー国立研究所（以下、バークレー研究所）は、ミシガン大学およびローレンス・リバモア国立研究所（以下、LLNL）と共同で、光と水を炭素を含まない水素に変換する際の高効率かつ安定した性能に寄与する、Si/GaNの驚くべき自己改善特性を発見しました。

この発見は、人工光合成技術や水素燃料電池の実用化を飛躍的に促進するものです。

エネルギー省ローレンス・バークレー国立研究所（バークレーラボ）化学科学部門のスタッフサイエンティストであるフランチェスカ・トーマ氏は話します。

「今回の発見は、まさにゲームチェンジャーです。」

通常、太陽電池システムの材料は劣化して安定性が低下し、その結果、水素の生成効率が低下するという。

トーマ氏は続けます。

「しかし、私たちは、Si/GaNがより効率的で安定した状態になることができる珍しい特性を発見しました。このような安定性は見たことがありません。」

これまでの人工光合成材料は、光の吸収には優れているが耐久性に欠ける、あるいは、耐久性には優れているが光の吸収効率に欠ける、というものでした。

しかし、シリコンや窒化ガリウムは、LED（発光ダイオード）や太陽電池などの身近な電子機器の半導体として広く使われている、豊富で安価な材料であると、共著者であるミシガン大学電気・コンピュータ工学教授のZetian Mi氏は10年前にSi/GaN人工光合成素子を発明しています。

Mi氏が開発したSi/GaNデバイスが、太陽電池から水素への変換効率3%という記録的な成果を達成したとき、Mi氏は、このような普通の材料が、エキゾチックな人工光合成デバイスでこれほどまでに優れた性能を発揮できるのだろうかと疑問に思い、Toma氏に助けを求めました。

HydroGEN：チームサイエンスによる太陽電池燃料の研究

このコンソーシアムは、DOEの水素・燃料電池技術局の支援を受け、国立再生可能エネルギー研究所が主導して、先進的な水分解材料の開発のために国立研究所、学術界、産業界の協力を促進することを目的とした5つの国立研究所のコンソーシアムです。

バークレー研究所の水素・燃料電池技術室のプログラムマネージャーであり、HydroGENの共同副所長であるアダム・ウェーバーは話します。

「先進的な水分解材料に関する産学の支援と国立研究所の能力との相互作用は、まさにHydroGENが設立された理由であり、クリーンな水素製造技術の針を動かすことができるのです。」

バークレー研究所の化学部門のポスドクであるToma氏と筆頭著者のGuosong Zeng氏は、水素製造の効率と安定性に関するデバイスの異常な可能性に、GaNが関与しているのではないかと考えました。

そこでZeng氏は、当麻の研究室で光導電性の原子間力顕微鏡実験を行い、GaN光電面が吸収した光子を電子に効率的に変換し、その自由電子を利用して水を水素に分解することができるかどうかを、材料が劣化して安定性と効率が低下する前に調べました。

彼らは、わずか数時間で材料の光子吸収効率と安定性が急激に低下することを予想していました。

ところが驚いたことに、GaN結晶粒の「サイドウォール」と呼ばれる部分にある小さなファセットから発生する光電流が、2～3桁も向上していたのです。

さらに不思議だったのは、材料の表面全体はそれほど変化していないのに、時間の経過とともに効率が向上していたことえす。

Zengは話します。

「言い換えれば、材料は悪くなるのではなく、良くなったのです。」

さらに手がかりを得るために、研究者たちは、バークレーラボのMolecular Foundryにある国立電子顕微鏡センターの走査型透過電子顕微鏡（STEM）と、角度依存型のX線光子分光法（XPS）を採用しました。

その結果、側壁の一部に、ガリウム、窒素、酸素を混合した1ナノメートルの層（酸窒化ガリウム）が形成されていることがわかりました。

化学反応が起きて、「水素生成反応のためのアクティブな触媒サイト」が追加されたのだと、Toma氏は述べています。

LLNLの共著者である荻津正氏とTuan Anh Phamが行った密度汎関数理論（DFT）シミュレーションによって、この観察結果が裏付けられました。

荻津氏は話します。

「材料表面の特定の部分における化学種の分布の変化を計算することで、水素発生反応サイトとしての酸窒化ガリウムの発展に相関する表面構造を見出すことに成功しました。HydroGENコンソーシアムが可能にした、理論と実験を緊密に統合した今回の成果とアプローチが、再生可能水素製造技術のさらなる向上に役立つことを期待しています。」

Mi氏は補足します。

「我々は10年以上前からこの材料を研究しており、安定性と効率性が高いことがわかっています。しかし、今回の共同研究によって、なぜこの材料が劣化せずに堅牢で効率的になるのか、その基本的なメカニズムが明らかになりました。今回の研究で得られた知見は、より効率的な人工光合成デバイスを低コストで構築するのに役立つでしょう。」

また、Zeng氏は同様の材料で実験を行い、窒化物が人工光合成デバイスの安定性にどのように寄与しているかについて理解を深めようとしています。

Zeng氏は話します。

「まったくの驚きでした。しかし、Pham氏のDFT計算は、我々の観察結果を検証するのに必要な説明を与えてくれました。今回の発見は、より優れた人工光合成デバイスの設計に役立つでしょう。」

Toma氏は話します。

「これは、国立研究所と研究大学との間の前例のない協力関係のネットワークでした。HydroGENコンソーシアムが私たちを結びつけてくれたのです。私たちの研究は、ナショナルラボのチームサイエンスのアプローチが、世界全体に影響を及ぼす大きな問題の解決にいかに役立つかを示しています。」