京大、太陽電池の高効率化につながる二酸化チタン中の光キャリアの振る舞いの解明に成功

　京都大学は、同大学の山田泰裕 化学研究所特定准教授と 金光義彦 同教授が、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たと発表しました。

　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ています。
　一方、二酸化チタンは、色素増感型太陽電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おり、この二酸化チタンには、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。

　これまでの研究で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きましたが、その理由は十分に理解されていなかったことから、山田准教授らの研究グループは今回、ルチル型とアナターゼ型の違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電子と正孔（光キャリア）の緩和過程に着目し研究を行いました。

　二酸化チタンでは、光照射によって作られた電子と正孔は結晶中を動き回って、光起電力や光触媒反応をもたらしますが、時間が経つと結晶中の欠陥や不純物に捕捉され、ほとんど動くことができなくなります。光起電力や光触媒反応の効率は、このような捕捉までの時間、すなわち電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・過渡吸収・光電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、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であることが確認され、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ることが確認されました。

　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、この成果は、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開発につながるものと期待されるとのことです。

　この研究成果は、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ています。