太陽光は無尽蔵のエネルギー源であり、太陽光を利用して発電することは再生可能エネルギーの基礎の 1 つです。地球に降り注ぐ太陽光の 40% 以上は、赤外線、可視光線、紫外線のスペクトルに属します。しかし、現在の太陽技術は主に可視光と紫外光を利用しています。総太陽エネルギーとして知られる太陽放射の全スペクトルを利用する技術は、まだ初期段階にあります。
(左) 単一の銅ドープタングステン酸ナノ結晶。 (右) ナノ結晶の原子分解能画像。
北海道大学工学部のメルバート・ジーム助教授と渡辺誠一教授率いる研究チームは、太陽エネルギーを完全に利用して銅をドープしたタングステン酸塩系材料を合成した。彼らの発見は最近、Advanced Materials 誌に掲載されました。
Jeem氏は、「現在、太陽放射の近赤外線スペクトル（800nm～2500nm）は発電に利用されていない。タングステン酸は、これらの波長を吸収する欠陥のある結晶構造を持っているため、このスペクトルを利用できる可能性のあるナノ材料開発の候補である。」と説明する。
タングステン酸塩結晶の紫外光から赤外光までの相対的な光吸収の概要。 1、5、および 10 は、ナノ結晶が光臨界になる原因となる銅の濃度です。画像クレジット: MelbertJeem 他先進的な素材。 2023 年 7 月 29 日
科学者らは、以前に開発した光加工技術、つまり微結晶の水中光合成を利用して、さまざまな濃度の銅がドープされたタングステン酸ナノ結晶を合成した。これらのナノ結晶の構造と光吸収特性が分析されました。それらの光熱特性、光補助水蒸発特性、および光電気化学特性が測定されました。
銅をドープした酸化タングステンのナノクリスタルは、紫外線から可視光、赤外線に至るまでの光のスペクトル全体を吸収します。銅ドープ量が１％の場合、赤外光の吸収が最も大きくなる。 1% および 5% の銅ドープされたナノクリスタルは、最も高い温度上昇 (光熱特性) を示します。 1% 銅ドープ結晶は最大の水蒸発効率も示し、これは 1 時間あたり平方メートルあたり約 1.0 キログラムです。 1%の銅をドープしたナノ結晶の構造分析により、銅イオンが酸化タングステンの結晶構造を歪め、光が吸収されたときに観察される特性を引き起こす可能性があることが明らかになりました。
「私たちの発見は、太陽エネルギーを完全に合成して利用できるナノクリスタルの設計における大きな進歩を示すものだ」と渡辺氏は結論づけた。 「私たちは、太陽エネルギーを最大限に利用することにより、銅ドーピングがタングステン酸ナノ結晶に複数の特性を与えることを実証しました。これは、この分野のさらなる研究と応用開発のための枠組みを提供します。」