千叶大学大学院融合理工学府研究生二年级的漆馆和树、理学研究院的泉康雄教授、工学研究院的小岛隆准副教授等组成的共同研究小组，揭示了光催化剂晶体的极化率和催化活性是提高两极使用光催化剂^1）的高电压型太阳能电池性能的重要因素。

迄今为止，该研究小组研发的光催化太阳电池的单电池^2）可以达到2.11V的电动势，这是其他太阳能电池和燃料电池所无法达到的。另外，将这些成果组合进行发电，有望用作能安装在室外，且对环境负荷少的备用电源。

这项研究成果已于2020年1月27日刊登在美国化学会主办的《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》第8卷第3期上，并被用作该期封面（图1）。

研究背景

化石燃料的使用导致大气中的CO₂浓度日益升高，由此造成的全球变暖对生态系统的负面影响令人担忧。

为实现社会的可持续发展，人们需要摆脱对化石燃料的依赖，向可再生能源转型。其中，将太阳能转换成电能的太阳能电池^3）和将氢等化学能源转换成电能的燃料电池⁴⁾在发电过程中不会产生CO₂，因而备受重视并得到广泛的研发。

然而，现有的这类电池中，大部分的单电池的电动势都在1V以下，为了投入实际使用，必须将其串联。虽然利用光催化太阳能电池^5）实现高效、低价的太阳能电池的研究一直在进行中，但由于光催化太阳能电池对光电极的电化学特性的平衡要求极高，过去一直未探明提高其性能的因素。

图1 杂志封面上本研究的示意图

示意图中间展示的是高电压型太阳能电池，两侧（黄绿色）的光电极上覆盖有光催化剂薄膜。该示意图表明，负极（右侧）上的氧化钛晶体在施加交流/直流电时越容易极化，且越容易将水催化转换成氧气时，电池的电动势和输出功率就越高。正极（左侧）上的氧氯化铋晶体具有将氧气还原成水的作用。

研究成果

在本研究中，为了确定提高光催化太阳能电池性能的因素，重点研究了光催化剂晶体的形状和薄膜形成方法。

以氧化钛晶体（TiO₂）为光催化剂，在负极上放置了以各种形状（纺锤状、立方体状、菱形状）及不同尺寸合成的催化剂晶体，另外，在薄膜形成方法上也尝试了浇铸法，滑动法，粉碎和滑动法，粉碎和机械成膜法等多种方法，此外，进一步利用电子显微镜，测量形成的膜的体积密度，测定在施加紫外可视荧光发光和交流/直流电时的膜阻抗以及18O₂气体与TiO₂膜表面的氧原子的交换反应的速度，最后比较并讨论了图1所示太阳能电池的发电特性。结果发现，具有相同尺寸的立方体状和菱形状的TiO₂均表现出较低的极化率（表示电子通过的容易度），因此电子难以流动（如图2（上））。另一方面，具有不同尺寸的TiO₂或者纺锤状的TiO₂极化率较高，同时表示光氧化反应难易程度（即催化剂活性）的氧解离反应较慢（图2（下），下图的ΔE₂ 比 ΔE₁大），因此成功将太阳能电池的输出功率提高到85.2μW/cm2，电动势提高到1.94V。

图2 不同形状和尺寸的TiO₂膜阻抗和极化率的关系（上）以及反映18O₂气体与TiO₂膜表面的氧原子发生交换反应的难易程度的能量图（下）

到目前为止，此研究小组通过在TiO₂中添加有机色素，成功将电动势提高到2.11V（论文2，2018年出版）。在光催化太阳能电池中，由于光催化剂吸收紫外光，与有机色素吸收可见光的电子能量同时发生变化，因此光催化太阳能电池具有比其他太阳能电池更高的电动势。

今后展望

负责该项实验的泉康雄教授表示，“通过本研究，明确了提高光催化太阳能电池性能的因素，今后的目标是研究出电势能和输出功率都优于生物电池的光催化太阳能电池。”

术语解释

1）光催化剂：通过吸收光促进化学反应的物质的总称。该光催化剂通过光照射，可在常温下促进催化反应，例如污染物的分解等，而普通催化剂需要升温才能进行，因此其在环境领域具有广泛的应用前景。

2）单电池：构成电池的基本单位。将多个单电池排列并封装形成模组。

3）太阳能电池：通过吸收光能改变物质内电子能量而获得电能的设备的总称，目前正在研发的太阳能电池包括硅太阳能电池、色素增感型太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、以及有机膜太阳能电池等。

4）燃料电池：利用氢气和酒精燃烧时产生的化学能量获得电能的设备的总称，目前正在研发的燃料电池包括固体高分子型燃料电池、磷酸型燃料电池、固体氧化物型燃料电池、以及生物燃料电池等。

5）光催化太阳能电池：两个电极上都具有光催化剂的太阳能电池，利用两电极物质中电子能量变化前后的能量产生电能的一种装置。在光照下，光催化剂的电子能量会发生约3V的变化，因此理论上可以获得3V的电能。

关于本研究项目

本研究获得了科研补助金项目“使用精密控制层积膜的二氧化碳光燃料化的高速化和动态作用过程的显微光谱跟踪”（17K05961）、千叶大学全球杰出研究核心与领先研究推进计划、以及光子工厂高能加速器研究机构的支援。

论文信息

1）论文题目：Polarizability and Catalytic Activity Determine Good Titanium Oxide Crystals but Not Homogeneity in Solar Cells Using Photocatalysts on Both Electrode

杂志名：ACS Sustainable Chemistry & Engineering

DOI: https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b05576

2）论文题目：Solar Cell with Photocatalyst Layers on Both the Anode and Cathode Providing an Electromotive Force of Two Volts per Cell

杂志名：ACS Sustainable Chemistry & Engineering

DOI: https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.8b02166

推进光催化太阳能电池的实用化——提高电池性能的因素得到确定！