68%くらいいけそうだが,全くいけなくて理論的に28%,実験室的に25%程度しか行かない.倍くらい単純計算と実際に開きがあるけど,この差の原因は決まったエネルギーよりも高いエネルギーを持つ光子を,その決まったエネルギーで使っているということ(電圧的ロス)決まったエネルギー以下のエネルギーの光子をエネルギーに変えられないこと(電流的ロス)に起因する.植物の光合成では,十数億年の進化の果てに,恐ろしく洗練されている植物の光合成の現状を見てみようと思う.(といっても,生化学は素人以下だけど)植物の光合成のメカニズム的なポイントはwikipedia:光合成の光化学反応にあるZ機構の図を見るとわかるように,かなり多段の機構になっていることだ.なんで,多段の機構にするかというと量子収率をあげるためだ.太陽電池を含めた光化学反応で一番避けたいことはせっかく光を受けてできた電子と正孔が,そのまま引かれあうようにくっつくことだ.この反応は最近流行りのLEDと同じ反応だから結構簡単に起きる.結晶Siとかは間接遷移だからそこまで簡単ではないけど,大抵が直接遷移の有機物では特に簡単に起きる.これを避けるには,出来た電子と正孔を可及的速やかに物理的に引き離せばいい.そのための励起移動である.励起移動をさせれば,電子を移動させて電子と正孔を引き離し,出会う確率を減らすことが出来る.しかし,励起移動はタダではない.励起移動で量子収率は上げることができるけど,エネルギーはかなりロスすることになる.植物の光合成の場合,具体的には34%程度のエネルギーしか最終的には使えないらしい(近畿大彦坂先生のMechanismというページ参照)これは,結晶Si太陽電池で言うと68%に相当する類の数字だ*1.これから,実際の太陽光を当てたときの効率は結晶Siと同様にもっとずっと落ちることになる.つまり,植物の光合成は量子収率は高いがエネルギー収支という意味では今ある普通の太陽電池と比べて特にアドバンテージはないというか,むしろ劣っているということになる.植物がなぜ,この低エネルギー効率に甘んじているのか?たぶん,水の分解よりもエネルギーの高い光子を必要とするメリットのある反応が,植物の周りにふんだんにある材料では起こせないからだと思う.そして,その前提の元では量子収率を限界まで高めるのがベストだ.そして,人類はというと水と二酸化炭素から燃料を作ろうとする限り,同じ限界にぶつかることになる.だから,人工光合成をするよといっている人は,この植物の光合成よりも遥かに優れた反応を人類が工業レベルですることが出来ると言っていることになる.尊敬すべき傲慢さだ.光科学の限界を超えるには?まあ,1光子をひとつの反応にしか使えないという限界は,太陽電池でもかなり厳しい制約だ.このために単接合太陽電池の効率は30%程度が限界だ.超えるためには何かマジックをする必要がある.マジックとしては複数の反応を組み合わせて(タンデム),それぞれは最も効率の良い光しか使わないことで効率を上げるということ.現在,30%を超えるような太陽電池は全部この発想で作られている.人工光合成に応用するには,2eV-3eVに相当するいい反応があればいいねってことと,タンデム化を前提にした人工光合成の研究ってかなり未開だよねって辺りが課題.ひとつの光子から複数の反応を引き起こす.普通には無理なんだけど,中間状態を利用したり,太陽電池だと量子ドットを利用したりすると,ひとつの大きいエネルギーの光子を複数の反応に使えるように分割できるらしい.が,「らしい」と書いたようにある種のタイプは本当に起こっているのかまだ議論中だし,別のタイプは起きてもエネルギーのロスが大きすぎるとか,起きる効率が低すぎるとか,まだ使える段階じゃない.熱にしてしまう.これは太陽熱発電の発想.一度熱にしてしまえば光子のエネルギーがどうこうとか言う光化学の限界ではなく,熱力学の限界に縛られることになる.やりたいことによってはこっちの方が上手くエネルギーを使えるかも知れない.とかがある.てなわけで,ここら辺の限界をぶちやぶるような発想のない人工光合成研究を今さら始めようとしてるなら,化学屋さんって本当にすることがないんですねと笑ってしまうし,もし,大型のグラントをつけるようなら,つけた人間の見識を疑う.まあ,こういう若造が土下座して謝るようなプロポーザルを根岸大先生が文部科学省の官僚にしてることを祈る.多分してないと思うけど.2012-06-28追記パラパラとレビューを読んでたら、水の分解に必要なエネルギーは1.229eVらしい。太陽電池の相場観だと必要なバンドギャップはVocの0.4V増だから*2、単純計算でEg=1.63eV。太陽光とのマッチングという意味では、ちょっと広すぎる程度でそこまで筋は悪くない。その意味で、今の植物の光合成が絶望的にエネルギー効率悪く見えるのは、水を分解した後の後段の反応に貴重な高エネルギーのフォトンを消費するということに由来しているだけかもしれない。水の分解のみを取り出せばそこまで悪くない可能性はある。水を分解するだけだと水素ができちゃってその後の処理に困るというのは、生物も我々もあまり事情は変わらないので、なにか工夫は必要なんだろうけど。あと、太陽電池は人工光合成と違って、太陽光とのマッチングに対して最適値をとれるし*3、更にタンデムなどで高効率を狙える。その太陽電池で作った電力で水を電気分解するプロセスに対して、メリットを訴求できるのか?という問題は残る。12-14)月別アーカイブはてなブログをはじめよう!khwarizmiさんは、はてなブログを使っています。ブログを報告するスターをつけました引用をストックしましたストック一覧を見る閉じる引用するにはまずログインしてくださいログイン閉じる引用をストックできませんでした。再度お試しください閉じる限定公開記事のため引用できません。