2012年9月28日
山田泰裕 化学研究所特定准教授と 金光義彦 同教授は、太陽電池材料である二酸化チタンの光キャリア再結合過程を解明することに成功しました。ルチル型とアナターゼ型という二つの異なる結晶相で、光で作られる電子と正孔（光キャリア）の寿命を决定し、アナターゼ型の电子寿命がルチル型と比べて着しく大きいことを明らかにしました。长い电子寿命がアナターゼ型の优れた太阳电池?光触媒性能に関係していると考えられます。本研究成果は、高効率な色素増感型太阳电池や光触媒材料の开発につながるものと期待されます。
本研究成果は、2012年9月27日に、米国科学誌「Applied Physics Letters」オンライン速報版に掲載されました。
背景
二酸化チタンは、チタンと酸素が結合してできた物質で、無害?無毒で環境負荷が低いことから、化粧品や白色顔料として古くから用いられてきました。一方、二酸化チタンは、色素増感型太阳电池や光触媒材料として用いられており、光エネルギーの有効活用や環境問題の立場から注目を集めています。二酸化チタンには、室温で安定な複数の結晶相が存在し、特に「ルチル型」と「アナターゼ型」は工業的にも幅広く用いられています。太陽電池や光触媒の効率ではアナターゼ型が優れているとされていますが、その理由は十分に理解されていませんでした。
研究手法?成果
今回、ルチル型とアナターゼ型の违いを明らかにするため、光照射によって二酸化チタン中に作られる电子と正孔（光キャリア）の缓和过程に着目しました。二酸化チタンでは、光照射によって作られた电子と正孔は结晶中を动き回って、光起电力や光触媒反応をもたらします。しかし、时间が経つと结晶中の欠陥や不纯物に捕捉され、ほとんど动くことができなくなります。光起电力や光触媒反応の効率は、このような捕捉までの时间、すなわち电子と正孔の寿命と密接に関係しています。研究グループでは、発光?过渡吸収?光电流という三つの異なる測定手法を組み合わせて、電子と正孔の寿命をそれぞれ独立に決定することに成功しました。ルチル型では、電子と正孔の寿命はともに数十ナノ秒程度となりました。一方、アナターゼ型では正孔の寿命は短いものの、マイクロ秒にも及ぶ非常に長い電子寿命を持っています。このような長い電子寿命がアナターゼ型の高い太陽電池?光触媒性能に寄与していると考えられます。本研究の成果は、二酸化チタンを用いた高効率な太陽電池や光触媒材料の开発につながるものと期待されます。
（a）発光?过渡吸収?光电流による測定の概念図、（b）ルチル型?（c）アナターゼ型の発光?过渡吸収?光电流の時間変化
本研究の一部は、住友电工グループ社会贡献基金、科学研究费补助金新学术领域研究（研究领域提案型）、近畿地方発明センター、および科学技术振兴机构戦略的创造研究推进事业（颁搁贰厂罢）の助成を受けて行われました。
书誌情报
[DOI]
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"Determination of electron and hole lifetimes of rutile and anatase TiO2 single crystals"
Yasuhiro Yamada and Yoshihiko Kanemitsu: Applied Physics Letters, 101 (2012) 133907.
用语解説
正孔
半导体の中で、电子が抜けてできた空孔。电子は负の电荷を持っているのに対して、正孔はあたかも正の电荷を持った电子のように振る舞う。
色素増感型太阳电池
光エネルギーを电気エネルギーに変换する太阳电池の一种。二酸化チタンの微粒子に色素を付着させると高い光起电力が得られることを利用しており、実用的な低コスト太阳电池として注目を集めている。
光触媒
光照射によって、物质表面で酸化反応および还元反応を引き起こす触媒物质。
発光?过渡吸収?光电流
光照射によって半导体中に生成した电子と正孔は、再结合するときに光を放出する（発光）ほか、特定の波长の光を吸収したり（过渡吸収）、电荷を运ぶことで电流を生じさせる（光电流）ことが知られている。これらの时间変化を追跡することで、电子と正孔の寿命を决定することができる。