ナノテクノロジーを駆使し、太阳光エネルギーを余すところなく利用することに挑む三澤弘明さん（電子科学研究所 教授）に、最新の研究成果について話をうかがいました。
太阳光エネルギーの、無駄に捨てていた部分も有効に利用するとは？
地上に降り注ぐ太阳からの光には、人间の目に见える可视光だけでなく、紫外光や赤外光など、様々な波长の成分が含まれています。
ところが今日ふつうに使われているシリコン太陽電池では、原理的に、1000ナノメートル程度より短い波長の光しか利用することができません。どうがんばっても、太阳光エネルギーの約30％しか、電気エネルギーに変換できないのです。
また、光エネルギーで水を分解することについては、発见者の名前を取って「本多?藤嶋効果」と呼ばれるものがあります。半导体としての性质を持つようにした酸化チタンと白金をそれぞれ电极にして水に入れ、酸化チタンの电极に光をあてると、水が分解できるのです。でも、この现象も、波长の短い紫外光でしか起きません。
そこで世界中の研究者たちが、もっと长い波长の光も利用できるようにしようと、长年、研究开発に取り组んできました。违うタイプの半导体を组み合わせたり、长い波长の光を吸収する色素剤を组合わせたりと工夫を重ねてきましたが、仕组みが复雑になるだけに、様々な难点があります。
叁泽さんの研究グループは、违うアプローチで成功したのですね
半导体としての性质を持つようにした酸化チタンの単结晶（任意の结晶轴の向きが同一の结晶）でできた板の上に、贵金属である金の、とっても小さな块を、びっしり并べたものを使います。一つの块は、縦?横?高さが100&迟颈尘别蝉;200&迟颈尘别蝉;30ナノメートルほど、块と块の间隔も100ナノメートル弱と、すべてが「ナノサイズ」です。ちなみに1ナノメートルは1メートルの10亿分の1で、100ナノメートルでも髪の毛の太さの约1000分の1です。
（酸化チタンの基板上に、金の块がびっしりと并んでいます。右下にある黒い横线の长さが100ナノメートルです。写真提供：叁泽さん）
この「酸化チタン＋金のナノ构造」を一つの电极、白金をもう一つの电极にして水の中に入れ、酸化チタン电极にいろいろな波长の光を照射してみました。すると、紫外光や可视光だけでなく、波长が1000ナノメートル程度の赤外光（近赤外光）でも电流が流れることが确认できました。光エネルギーが、电気エネルギーに変换されたのです。
（光で水を分解する装置の概念図 （三澤さん提供の図を一部簡略化））
また「酸化チタン＋金のナノ构造」の电极で酸素と过酸化水素が発生し、その発生量が、観测された电流量とほぼ同じであることも确认できました。つまり、水から电子を夺い取るという反応（水の酸化）が起きていると考えられるのです。
物理学の理论の一つ、量子力学によると、光は波であると同时に、粒子としての性质も持っています。そして一つひとつの粒子がもつエネルギーは、波长が长いほど小さくなります。あの巧妙な仕组みをもつ植物でさえ、光合成反応で水から酸素を作り出すときには、波长680ナノメートルほどの光を使っています。それに対し、私たちが成功した波长1000ナノメートルの光は、もっとエネルギーが小さいのです。
エネルギーが小さすぎて使うことができなかった赤外光を有効に利用し、そのエネルギーを化学物质の形で贮えておく、あるいは电気エネルギーに転换するといった可能性が、これによって大きく开けてきました。
（手前にある青いクリップの箇所に、水を分解する装置を取り付け、光を照射します）
具体的には、どんな応用が考えられるのでしょうか
たとえば、先の方法で水から电子を夺い取ると同时に、その电子を窒素に与えることでアンモニアを製造する、という実験をしています。アンモニアは、エネルギー?キャリアとして大きな可能性を秘めているからです。
燃料电池などで水素がエネルギー源として注目され、水から水素を製造することが行なわれています。でも水素は、なかなか液化できないので可搬性が悪い。水素を入れる容器（ボンベ）が、水素のためにもろくなってしまうという问题もあります。ところが水からアンモニアにしてしまえば、アンモニアは8気圧で液体になりますから、自动车に积んで简単に运ぶことができます。
アンモニアそのものを燃料にしてもよいでしょうし、アンモニアから水素を取りだして、その水素を燃料にするのでもいいでしょう。自动车メーカーもいま、この种の実験を盛んにやっています。
また、赤外光だけを発电に使い可视光は通过させるという、透明な太阳电池を作ることもできそうです。これだと、窓ガラスに贴って使えます。可视光を発电に使わないので発电効率はいくぶん下がるでしょうが、予备电力などには十分使えると思います。
それにしても、なぜ「金」を使うのですか
必ずしも金である必要はなく、银でも铜でもよいのですが、金が一番安定な元素なので、具合がいいのです。1メートル四方の太阳电池を作るのに必要な金は、金额にして700円ほど。金はリサイクル可能なので、コストが大きな问题になることはないと思っています。念のため、アルミニウムでも试みていますが。
キーポイントは、「表面プラズモン共鸣」と呼ばれる物理现象を利用することです。教会のステンドグラスを作るにあたり、ガラスにナノサイズの金属粒子を混ぜることで赤や黄の色をつけるなど、昔からこの现象が利用されていました。でも、どういう仕组みで色がつくのか、理论的にわかってきたのは、20世纪も后半に入ってから。その现象をエネルギーの変换に使おうという试みが出てきたのは、つい最近のことです。
また、表面プラズモン共鸣が引き起こす「光アンテナ効果」も重要です。罢痴のアンテナが、飞んでくる电波を効率的にキャッチするように、金属のナノサイズの构造が光を効率的に受け取め、そのエネルギーを金属の原子に受け渡してくれるのです。
（ナノサイズ构造と、そこでの电子のふるまいを、ディスプレイ上で确认することができます）
「极微の世界」の研究なんですね
空间的なサイズが极微なだけでなく、时间的にも、数フェムト秒という「超短の世界」です。1フェムト秒は1000兆分の1秒ですから、光でさえ1万分の3ミリしか进めないという短かい时间です。
それほど小さいスケールでの现象を解明するには、それなりの装置が必要です。これ(上の写真）は、「プラズモン」によって、时间的にどのタイミングで、ナノ构造のどの部分で电子の受け渡しが起こっているかを精しく调べる装置で、同じ性能を持つものは世界に3台ほどしかありません。この年末に改良し、世界トップの性能にしようと思っています。
でも、昔 息子に言われたんですよ。「お父さん、ナノテクって言うけど、なんにも見えないじゃん」って。
（准教授の上野貢生さん（左端）は「見えないからこそ わかりたい、という面もあるんです」。中央の2人は中国からの留学生）