東京工業大學（Tokyo Tech）和金澤大學組成的聯合研究團隊開發出了一種新型環保器件，能夠利用太陽能來高效催化電化學氧化反應。
爲了因應當前的環境危機，有效避免不再生能源（化石燃料）的使用，綠色能源已成爲了全球研究的熱點。數十年來，該領域的研究人員一直在尋找利用和收集太陽能的方法。相應地，能夠將發光能量轉化爲電能的光伏器件的需求量也很大。在上次石油價格引起的經濟衝擊之後，人們對該類器件產生了極大的興趣，所以自1970年代以來該類器件方面的研究也有了很大的進展。儘管大多數進展是從基於硅的太陽能電池上取得的，但科學家已經證明，在有機光伏器件上同樣也可以實施可觀的優良性能。有機材料有很多優點，比如它們可以用環境友好的工藝進行印刷和塗層用漆，這和造成環境污染的硅工藝截然不同。另外，有機材料多種多樣，可以針對每種特定的應用量身定製來選取不同的有機材料。
有機光伏太陽能電池由夾在兩個不同電極（一個透明的正面電極，以及一個背面電極）之間的「活性層」組成。活性層正是太陽能轉成電能這個魔術的起點：入射光的光量子透過碰撞將能量轉移到材料的電子上，使後者受到激發，從而留下被稱爲「電洞」的帶正電的贗粒子。從技術上講，這些贗粒子並不存在，但是它們可以被利用來近似解釋材料的電學行為。而電極的重要性在於，每個電極都能夠收集這些帶電粒子中（一個收集電洞，另一個收集電子）其中的一種，以防止這兩種粒子在活性層中重新復合。電子流過連接兩個電極的外部電路，從發光能量中產生電能。
然而，該研究的難點恰恰在於如何在電極處收集大量的電子和電洞並且高效地將發光能量轉換成電能。一些研究人員提出，應當在活性層附近直接將該處產生的電洞或電子消耗在化學反應上。受此啓發，包括來自東京工業大學與金澤大學的長井圭治博士的研究團隊設計了一種有機光電化學器件的簡單製造程式，該器件可以收集太陽能來促演化學氧化反應。該團隊提出的方法源自傳統的有機光伏器件，這種有機光伏器件易於製造，且其特性已爲衆人所周知。如圖1所示，暴露的活性層上塗有ZnPc材料，並被浸入在硫醇中。入射光產生的電洞將被直接用於由ZnPc層催化（促進）的硫醇氧化程序。被激發的電子將透過正面電極流出，從而產生電流。
圖1. 器件的結構及性能
該觸媒製造方法的簡易性與先進性以及在收集太陽能時所展現出的高效性能昭示了該觸媒廣泛的應用前景。長井博士解釋說：「背面電極去除是一種有前景且可重複的技術，可用於構建特徵明顯的光電化學電池。」 該團隊還研究了塗有ZnPc的活性層的形貌及其電化學性質，以闡明其催化活性的原理。金澤大學的高橋博士說：「我們清楚地觀察到了ZnPc塗層在催化程序中所起到的作用，比如光生電洞的有效積累。」該團隊所開發的環境友好型器件爲從陽光中收集能量提供了新的方法，同時也使我們朝着更加綠色的未來再次踏進了一步。
圖2.光電化學器件的製造
【論文資訊】
題目：High performance photoanodic catalyst prepared from an active organic photovoltaic cell - high potential gain from visible light
雜誌：Chemical Communications
DOI: 10.1039/c9cc04759j
供稿 鍾維
編輯修改 JST客觀日本編輯部
