Photo by gettyimages

「窓ガラス発電」登場へ 無限に降り注ぐ「赤外光」活用の新技術

太陽光発電が根本から変わってしまう!
もし、身の回りにある普通の窓ガラスで発電できるようになれば、世界はどう変わるでしょうか。誰もが使いたい放題に電気を使えるようになり、人類史上初めてエネルギーを巡る争いがなくなる──。
そんな夢みたいな話が、現実になる可能性が出てきました。地球に膨大な量が降り注ぎながら、今のところほとんど利用されていない赤外光(赤外線)を、エネルギーに変える。
そんな新しい未来を切り開く研究に取り組んでいるのが、京都大学科学研究所の坂本雅典准教授です。坂本准教授に革新的な新エネルギー開発についてうかがいました。

「無駄」になっていた赤外光をエネルギーに!

──少し意外ですが、赤外光はこれまでエネルギーとして利用されてこなかったのですか?

現在はほとんど利用されていません。赤外光のエネルギーが低いからです。赤外光とは、可視光線の赤色よりも波長の長い光で、その波長は0.7μm(=700nm)から1000μm(=1mm)ぐらいになります。

一般に波長の長い光ほどエネルギーが低くなるため、シリコン太陽電池の発電などに使えるのも約1.1μmより短い波長の光に限られます。
そのため赤外光は、太陽光発電にほとんど利用できないのです。植物が光合成に使う光も青い光(400~500nm)と赤い光(600~700nm)ですから、やはり赤外光は使われていません。

──ということは地球上にたくさん降り注いでいるにもかかわらず、赤外光は無駄になっているわけですね。

赤外光は太陽光全体の46%程度、フォトン(光子)の量で考えれば半分ぐらいと考えられており量は確かに多いのです。

ただ、いくら大量にあったとしても、エネルギーとしては活用できないのでは意味がありません。けれども逆に考えてみましょう。仮に赤外光から少量でもエネルギーを取り出せるようになれば、その総量は膨大ですからトータルではそれなりのエネルギー量を確保できるようになります。

──赤外光を使えるようになれば、地球上のエネルギー事情が大きく変わる可能性があるということですか?

そのとおりです。そして、実際に我々は赤外光エネルギーの化学エネルギー変換に成功しました。

具体的には、赤外光から水素を生成する赤外応答光触媒を開発したのです。

このエネルギー変換は理論上は決して不可能なテーマではなく、実際に先行研究もありました。ただし以前の研究ではエネルギーの変換効率(外部量子収率)が、わずか0.01~0.03%とあまりにも低かったのです。

これに対して、我々の研究成果では変換効率が3.8%までに高まっています。もっともここに至るまでの道のりは、決して平坦なものではありませんでしたが。

坂本准教授らのチームが開発したエネルギー変換システムでは、1200nmの波長の光を使ったエネルギー変換効率が、以前の0.02%程度から3.8%にまで高まった

「できるわけがない」からの大逆転

──先行研究があったのなら、世界中の研究者たちが競い合っていたわけですね。

そうではなく、先行研究の成果があまりにも芳しくなかったため、実用化は到底無理と考えられ誰も研究していなかったのが実態です。

私は理論上できるはずだから研究に取り組もうと思ったのですが、「赤外光から水素を高効率で発生させる実験を始める」と周りの先生方に話したときには、「できるわけがない」と太鼓判を押していただきました(笑)。

──そんな難しい条件だったにもかかわらず、先生はどうして成功したのでしょうか?

赤外光は波長が長くエネルギーが低いため、仮に赤外光を使って光電変換を起こせたとしても、変換を起こすことのできるエネルギーを持つ状態を持続する力が弱いのです。そのため、いったん変換が始まってもすぐに元の状態に戻ってしまう。

けれども、反応が起こるメカニズムを考えている内に、抜け道が見えてきました。そのカギとなるのが電荷移動です。