二酸化炭素還元へ向けた分極制御窒化物半導体による可視光応答型新規光電極の開発

本研究は, 極薄AlN層を内部に導入した独自の分極制御構造を持った窒化物半導体光電極により, 可視光を利用した燃料生成実現を目指すものである. 本年度はこれまでの知見を基に, より高いIn組成を持つInGaNを光吸収層として用いることで吸収端の長波化を狙った. また, 太陽電池特性のシミュレーション結果を基にして, 光電極としてのポテンシャルについても検討を進めた.昨年度までの取り組みの中でInGaN層を用いた光電極動作の実証に成功した. 本年度ではIn組成を変化させ, より系統的に特性を検討した. 使用する自立GaN基板の変更や, 結晶成長条件の改善を行なった結果, 波長440 nm程度までの光による応答を得ることに成功した. また, InGaN光吸収層を持つサンプルについても4時間の連続的な光電極動作の試験を実施したが, 明確な特性の劣化が見られないことを確認した. これは当初のコンセプトである, 還元側の電極の実現による安定動作を支持しており, InGaNを用いた場合にも長寿命の光電極が実現可能であることを示す結果である.また, 提案構造の太陽電池特性のシミュレーション結果と, 簡単な実験結果を利用することで, 光電極特性の数値的な予測を行ない, 達成しうる特性をより明確な形で表すことができた. また, こうした検討を進める中で, 底部のn-GaN層中で生成した光キャリアが光電流として寄与することが, 提案構造の光電極特性を低下させる一因であることが新たに判明した. 下地のGaNによる光吸収の影響をなくすため, 紫外光を除いた光の照射下で特性を測定したところ, 酸素発生の酸化還元準位を超える立ち上がり電圧をIn組成12％程度まで得ることができた. サンプルのより本質的な特性を反映した結果であると考えられ, 外部電圧無しでの水分解実現に向けて非常に有望な結果といえる.

本研究は, 極薄AlN層を内部に導入した独自の分極制御構造を持った窒化物半導体光電極により, 可視光を利用した燃料生成実現を目指すものである. 本年度はこれまでの知見を基に, より高いIn組成を持つInGaNを光吸収層として用いることで吸収端の長波化を狙った. また, 太陽電池特性のシミュレーション結果を基にして, 光電極としてのポテンシャルについても検討を進めた.昨年度までの取り組みの中でInGaN層を用いた光電極動作の実証に成功した. 本年度ではIn組成を変化させ, より系統的に特性を検討した. 使用する自立GaN基板の変更や, 結晶成長条件の改善を行なった結果, 波長440 nm程度までの光による応答を得ることに成功した. また, InGaN光吸収層を持つサンプルについても4時間の連続的な光電極動作の試験を実施したが, 明確な特性の劣化が見られないことを確認した. これは当初のコンセプトである, 還元側の電極の実現による安定動作を支持しており, InGaNを用いた場合にも長寿命の光電極が実現可能であることを示す結果である.また, 提案構造の太陽電池特性のシミュレーション結果と, 簡単な実験結果を利用することで, 光電極特性の数値的な予測を行ない, 達成しうる特性をより明確な形で表すことができた. また, こうした検討を進める中で, 底部のn-GaN層中で生成した光キャリアが光電流として寄与することが, 提案構造の光電極特性を低下させる一因であることが新たに判明した. 下地のGaNによる光吸収の影響をなくすため, 紫外光を除いた光の照射下で特性を測定したところ, 酸素発生の酸化還元準位を超える立ち上がり電圧をIn組成12％程度まで得ることができた. サンプルのより本質的な特性を反映した結果であると考えられ, 外部電圧無しでの水分解実現に向けて非常に有望な結果といえる.