サブ課題A新エネルギー源の創出・確保　– 太陽光エネルギー

太陽電池と人工光合成は重要な低炭素国産エネルギー源

提供元理化学研究所

サブ課題 A 目標

サブ課題Aでは、太陽電池と光合成をテーマに、計算科学による励起電子の見える化を実現し、太陽電池の高性能化と人工光合成の実用化に貢献することを目指しています。

励起電子とは、リレー走者がバトンを貰うように、エネルギーのバトンを受け取った電子のことです。電子はいつまでもバトンを持っていることができないので、次々と手渡していくのですが、この過程を通して、電気を取り出すことが可能となります。
太陽電池は既に利用されていますが、光から電気への変換効率の向上と製造コストの低減のため、新しい素材の実用化が求められています。そのためには、未だに良く分かっていない光エネルギーから電気エネルギーへの変換過程（前述のバトンの受け渡し）を明らかにする必要があります。
また、植物における光合成は太陽光エネルギーの利用の典型的なものです。光合成では、水と大気中のCO₂を使って、酸素と炭水化物を生成しています。この仕組みは、最近の研究で少しずつ分かってきました。植物における光合成を参考にして、人工で光合成を行う研究が実験を中心として進められていますが、光エネルギーによる水分解やその後の炭水化物生成の過程がすべて明らかになっている訳ではありません。

実験では決して見ることができない、光エネルギーを受け取った励起電子の振る舞いを見るため、世界最先端の正確に電子状態を計算できるソフトNTChemと、さらに電子配置を厳密に考慮できる量子化学計算ソフトGELLANをベースに、太陽電池シミュレータと人工光合成シミュレータを開発しています。各シミュレータとポスト｢京｣の強力な計算パワーを使って、新たな太陽電池、人工光合成の提案や性能の改善に繋げることがサブ課題Aの目標です。

サブ課題 A 概要

高効率太陽光エネルギー変換による新エネルギー源の創出を目指します。複雑なスピン状態を含む天然・人工光合成系の素反応から物質設計までを取り扱える統合的な計算手法を確立し、水分解反応の本質解明と新エネルギー創出に有望な物質の探索を行います。また、太陽電池の物質設計とモルフォロジー・界面の制御に貢献できるシミュレータの開発を行い、高効率太陽電池の実現に向けた計算的アプローチを推進することによって、次世代のエネルギー資源の創出に貢献します。
人工光合成の物質設計と実用化を目的とした光合成シミュレータの開発と、高効率な太陽電池の予測を可能にする太陽電池シミュレータの開発を行います。

光合成シミュレータ

複雑なスピン状態を伴う多核金属錯体の電子状態の正確な取り扱いを可能にする強相関ソルバーの開発を行い、ESRやEDNMRをプローブとした応用に展開します。大規模な量子エンタングルメントを取り扱う新規な理論と数値解法を発展させ、光合成の機構解明をポスト「京」が初めて可能とします。基礎となる天然光合成系はKokサイクルの各酸化状態で水分解サイトの構造決定を行い、反応機構を解明します。半導体光触媒は、大規模な時間依存密度汎関数計算によるバンドギャップと水の酸化還元準位とのバンドアライメント最適化を行います。この光合成シミュレータを用いて、新規光触媒設計と助触媒の最適化の応用研究に取り組みます。

太陽電池シミュレータ

メモリ分割など新規アルゴリズムや領域分割法などの新規理論に基づいた時間依存密度汎関数法を開発し、数千~１万原子規模のドナー・アクセプター界面での電荷分離状態のシミュレーションを行います。さらに、有機電子供与体・有機電子受容体の相互作用と光誘起による電子物性に強く依存する短絡電流密度を飛躍的に増加させる有機物材料の設計指針を明らかにします。この太陽電池シミュレータを用いて、ペロブスカイト太陽電池の光電荷移動機構や自由キャリア機構の解明に向けた研究を行っていきます。