ナノパラボラアンテナで光強度を1万倍増強
3月22日、東北大学の研究グループは，一般的な放送衛星（BS）からの受信用
アンテナの100万分の一という極めて微少なサイズのパラボラ型の金属反射面
と半導体から構成される光ナノ共振器を開発し可視光を捕集して金属ナノ粒
子に集めることで光強度を4桁増強できることを，電磁界シミュレーションを
用いて明らかにした。
【要点】
１．可視光を集光可能なナノサイズのパラボラ（おわん）型光共振器設計し、
その集光原理を明らかにした。
２．金属反射面と半導体から構成されるパラボラ型光共振器と金属ナノ粒子
を 組み合わせることで、入射光強度を局所空間で 4桁（10,000倍）増強す
ることをを示した。
３．太陽光などの日常に存在する弱い光を集光することで、これまで困難と
されてきた光化学・人工光合成反応への適用が期待される。
【概要】
持続可能社会の実現のためには、エネルギー問題の解決が不可欠。その方法
論の一つとして、太陽光エネルギーを化学資源に変換する人工光合成の実用
化が待たれているが、太陽光が単位時間あたりに単位面積通過する光子の数
であるエネルギー密度（光子束密度）は低く、複雑な 反応の実現は困難で
あるとされてきた。東北大学多元物質科学研究所の研究グループは、一般的
な放送衛星（BS）からの受信用アンテナの 100万分の一という極めて微少な
サイズのパラボラ型の金属反射面と半導体から構成される光ナノ共振器を開
発し、可視光を捕集して金属ナノ粒子に集めることで光強度を４桁（10,000
倍）増強できることを、電磁界シミュレーション）を用いて明らかにした。
局所的に光の強度を増大させると、そこで生成する電子と正孔の数も増大し
する。その結果、従来は困難とされてきた①窒素の還元によるアンモニア製
造や、二酸化炭素の還元による炭素化合物の製造といった、多電子反応を推
進する新たな光化学反応場として開発した光ナノ共振器の活用が期待される。
本成果は、科学誌 The Journal of Physical Chemistry: Cに3月14日付で
オンライン掲載された。
図 1. 一般的な BS 受信用パラボラ型アンテナ（左）と、本研究で用いたナ
ノ サイズのパラボラ型光共振器（右）。
近年、化石エネルギーから再 生可能エネルギーへの利用の転換がなされてい
ますが、急増する需要に対する 十分な供給はなされていた。これらの問題を
根本的に解決に、実質 的に無尽蔵なエネルギーである太陽光を、貯蔵や運搬
が可能な化学資源に変換 する人工光合成の研究が進められているが、太陽光
のエネルギー密度（光子束密度）は低く、典型的な色 素分子は、1 分子あた
り 1 秒に数個の光子しか吸収することが出来ず、水の酸化や窒素の還元とい
った、多段階で進行反応は難しい。この問題を解決するため、光をナノ空間
に閉じ込めて局在化する、というア プローチが取られてきた。その一つとし
て、金属ナノ粒子による局在表面 プラズモン共鳴と、薄膜型ナノ共振器とを
組み合わせた、モード強結合と呼ばれる新たな光学状態を活用する方法が採
られてきた。
【方法と成果】
本研究では、ナノ光共振器による光の集光効果を極限まで高める、パラボラ
型のナノ光共振器を考案、その上に金属ナノ粒子として金ナノディスクを配
列した構造の光学応答を電磁界シミュレーション（時間領域差分（FDTD法）
を用いて計算。図２で示すモデル図のように、金属反射膜の素材して銀を、
半導体層の素材として酸化ニッケルを想定したパラボラ型光共振のサイズや、
金ナノディスクの配列を変化させ、吸収スペクトルと、近接場における入射
光電場振幅の増強度を計算した。図3a,bに示すように、金ナノディスク単独、
パラボラ型光共振器単独のいずれも、可視光領域に吸収ピ ークを示した。こ
れらを組み合わせた図3cでは、吸収ピークが 二つに分裂して観測された。こ
れは、金ナノディスクのプラズモンと、パ ラボラ型光共振器とがモード結合
し、新たなエネルギー準位形成したことに由来する。
図図 2. (a) 金ナノディスクを配置したパラボラ型光共振器の模式図。 (b)
FDTDシミュレーションモデルの断面図。 (c) 金ナノディスク配列の模式図
（上面図）。 図中、NiO は酸化ニッケル、Ag は銀、SiO2はシリカガラスを
指す。また、E は 入射光電場の振幅方向、k は入射光進行方向、θ は入射
角度を示す。
図 3. (a) 金ナノディスク単独の吸収スペクトルの金ナノディスク数依存性（
縦 軸：吸光度）。 (b) パラボラ型光共振器単独の吸収スペクトルのパラボ
ラ構造の半径(r)依存性（縦軸：吸光度）。(c) パラボラ型光共振器上に 61
個の金ナノデ ィスクを配置した際の吸収スペクトルのパラボラ構造の半径(r)
依存性（縦軸： 吸光度）。破線はフィッティングによって求めたモード結合
の上枝と下枝 (P+, P-)。（挿入図）モード結合のエネルギー模式図。吸光度
が高いほど光捕集効率 が高いことを示す。図3a の縦軸の目盛りは 3b、3c
の50分の１であることから、パラボラ型共振器と組み合わせることでプラズ
モンの光捕集効率が大きく増大していることがわかる。また、図3c から、プ
ラズモンとパラボラ型共振器が相互作用して上枝と下枝に分裂したこと、そ
れがパラボラ型共振器のサイズ に伴って波長シフトしていることがわかる。
これらはいずれも、「モード結合」を形成したことを支持する結果である。
図 4. (a) 1 個の金ナノディスクをパラボラ型光共振器上に配置した際の電
場振 幅の増強度の共振器半径 (r) 依存性。 (b) 1 個の金ナノディスクをパ
ラボラ型光 共振器上に配置した際の電場振幅の増強度の共振器厚み (t) 依
存性. 図 4a,b の破 線は NiO 厚み 240 nm の平面型共振器の増強度。 (c)
1 個の金ナノディスクを パラボラ型光共振器（赤線）と平面型光共振器（
黒線）上に配置した際の電場 振幅の増強度の入射光角度 (θ ) 依存性。
(d) 1 個の金ナノディスクをパラボラ型 光共振器上に配置した際の電場振
幅増強の空間分布（入射光角度 60° ）。 (e) 1 個の金ナノディスクを平面
型光共振器上に配置した際の電場振幅増強の空間分 布（入射光角度 60° ）
【論文情報】
タイトル：Strong Light Confinement by a Plasmon-Coupled Parabolic Nanoresonator Array
掲載誌：The Journal of Physical Chemistry: C DOI：10.1021/acs.jpcc.3c07224 URL：https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c07224
クラウンエーテルを使用して設計されたペロブスカイト太陽電池効率21.7%達
成
研究者らは、クラウンエーテルB18C6とペロブスカイト－正孔輸送材料界面の
界面不動態化を利用して、鉛漏れに対処し、電力変換効率とセルの耐湿性を
向上させた。ペロブスカイト太陽電池の理解が進むにつれて、科学者たちはその材料をさ
らに詳しく調べて、そのメカニズムを理解し、性能を制限する要因と改善の
可能性のあるルートを特定しています。最近の研究では、活性ペロブスカイト材料と他の細胞層の間の界面が大きな
パフォーマンス損失の原因であることが特定されました。 これらの界面欠陥
は、界面を越えて電荷輸送層へのハロゲン化物イオンの拡散を促進し、長期
の動作安定性に悪影響を及ぼす。これを念頭に置いて、国際研究チームはクラウンエーテルを利用して電力変
換効率と水分関連の安定性を高めるペロブスカイト太陽電池を開発した。研究者らは、密度汎関数理論（DFT）計算を適用して、鉛と結合して界面エ
ネルギー学を提供する有望な能力を備えたいくつかのベンゾクラウンエーテ
ル候補を特定した。 クラウン エーテルは、ペロブスカイト正孔輸送材料界
面に戦略的に組み込まれました。研究チームは、ベンゾ-18-クラウン-6-エーテル (B18C6) が界面不動態化に
最適なエーテルであることを発見しました。 鉛の結合性能を確立するため
に、B18C6 処理フィルムをカプセル化せずに相対湿度 85% のチャンバー内
で室温で保管しました。 結晶構造はX線回折により観察した。この化合物を使用して構築された実験用セルは、21.7% の電力変換効率を達
成し、室温、湿度 85% で 300 時間の湿気劣化試験に耐え、鉛漏れはなかっ
たと報告されています。 これは、20.1% の効率に達した未処理のペロブスカ
イト制御デバイスと比較しています。この処理により、電荷キャリアの寿命が延長され、正孔輸送材料とペロブス
カイト間の再結合率が低下しました。 このテストでは「鉛イオンの捕捉と
非放射性再結合の抑制が明確に確認された」と研究チームは述べた。サンプルの特性評価に使用された分析手法には、飛行時間型二次イオン質量
分析法 (ToF-SIMS)、紫外光電子分光法 (UPS)、時間分解フォトルミネッセ
ンス (TRPL)、および過渡吸収分光法 (TAS) が含まれます。科学者らは、B18C6は「ホストゲスト錯体形成を通じて鉛イオンを効率的に
隔離および固定化し、同時に堅牢な界面不動態層を確立する」という二重の
役割を果たすと述べた。VOCの増加はB18C6処理の不動態化効果に寄与している可能性がある」とも研
究者らは指摘した。さらに、作製したセルは相対湿度 85% にさらした後もより安定した太陽光発
電性能を示し、効率は初期測定からわずか 20% 低下したが、対照デバイスで
は 80% 低下した。「これまでのところ、報告されている多数のペロブスカイ
ト太陽電池界面材料が、太陽電池デバイスやモジュールの長期安定性の向上
に電気的および化学的にどのように寄与しているかについての正確な原因分
析は、デバイス効率に関する論文と比較して不足しています。」 ソ・ジヨン
はPVマガジンに語った。そのため、次のステップは「分子工学に基づいた新しい界面材料の開発」と
「単一デバイスや大面積モジュールが光にさらされたときに界面で何が起こ
るかを理解するためのデータの相関関係の体系的な分析」に注力します。 動
作中、電子と正孔の挙動や深層における物質の変化を含みます。」チームは、材料研究とインピーダンスのための X 線、ナノ IR 原子間力顕微
鏡、TAS、TRPL、最大電力点追跡、デバイス物理学のための強度変調光起電力
分光法 (IMVS) など、さまざまなテクノロジーを引き続き使用していきます。瀬尾氏は、より安定した大型デバイスの商業生産に向けて前進する目標を示
した。 「私たちは、最終的に商業レベルの安定性を備えたペロブスカイトモ
ジュールの商業化技術を確保するために、慎重に選択された界面材料をモジ
ュールに適用します」と同氏は結論づけた。研究の詳細は、
Journal of Energy Chemistry に掲載された「ペロブスカイト太陽電池にお
けるクラウン エーテルを使用した鉛結合による界面工学」に掲載されていま
す。 研究チームは釜山国立大学、慶北国立大学、ローザンヌ工科大学（EPF
L）、フリブール大学アドルフ・メルクル研究所からのメンバーで構成された。
ナトリウムイオン電池 – リチウムの有力な代替品?リチウムイオン電池の価格は再び下落していますが、ナトリウムイオン(Na-ion)エネルギー貯蔵への関心は衰えていません。セル製造能力の世界的な増強が進む中、この有望な技術が需要と供給の天秤をひっくり返すことができるかどうかは依然として不明です。Marija Maisch が報告します。ナトリウムイオン電池は、自動車からエネルギー貯蔵まで、さまざまな産業がこの技術に大きな賭けをしているため、商業化の重要な時期を迎えています。定評のあるバッテリーメーカーと新規参入者は、リチウムイオンの実行可能な代替品をラボからファブに持っていくために競い合っています。後者の電動モビリティと定置型ストレージの規格では、新しいテクノロジーが実証済みの利点を提供する必要があります。ナトリウムイオンは、優れた安全性、原材料コスト、および環境的信頼性を備えた、適切な場所にあるように見えます。ナトリウムイオンデバイスは、リチウムの代わりに豊富なナトリウムに依存し、コバルトやニッケルを含まないため、重要な材料を必要としません。2022年にリチウムイオン価格が上昇し、材料不足が予測される中、ナトリウムイオンはライバルとして傾き、リチウムイオン価格が再び下落し始めたにもかかわらず、関心は強いままです。「私たちは現在、2030年までのナトリウムイオン電池の生産能力を335.4GWhと追跡しており、この技術にはまだかなりのコミットメントがあることを強調しています」と、Benchmark Mineral IntelligenceのシニアアナリストであるEvan Hartley氏は述べています。2023 年 5 月、ロンドンを拠点とするコンサルタントは、2030 年までの 150 GWh を追跡しました。安い大規模に生産されるナトリウムイオン電池は、主に豊富なナトリウムと低い抽出および精製コストのおかげで、主要な定置型蓄電池技術であるリン酸鉄/リン酸鉄リチウム(LFP)よりも20%から30%安価になる可能性があります。ナトリウムイオン電池は、リチウムイオンに使用される銅の代わりにアルミニウムを負極集電体に使用できるため、コストとサプライチェーンのリスクがさらに軽減されます。しかし、これらの節約はまだ可能性があります。英国を拠点とする市場調査会社IDTechExのシニアテクノロジーアナリスト、Shazan Siddiqi氏は、「ナトリウムイオン電池が既存の鉛蓄電池やリン酸鉄リチウム電池に対抗する前に、業界関係者は技術性能の向上、サプライチェーンの確立、規模の経済の達成により、技術コストを削減する必要があります」と述べています。「Na-ionのコスト優位性は、生産規模がリチウムイオン電池セルに匹敵する製造規模に達した場合にのみ達成可能です。また、炭酸リチウムのさらなる値下げは、ナトリウムが提供する価格優位性を低下させる可能性があります。ナトリウムイオンは、高性能を優先する用途でリチウムイオンに取って代わる可能性は低く、代わりに定置型蓄電やマイクロ電気自動車に使用されるでしょう。S&Pグローバルのアナリストは、リチウムイオンが2030年までにバッテリー市場の80%を供給し、そのうち90%がLFPをベースとしていると予想しています。ナトリウムイオンは市場の10%を占める可能性があります。正しい選択研究者は20世紀半ばからナトリウムイオンを検討してきましたが、最近の開発には、貯蔵容量とデバイスのライフサイクルの改善、および新しいアノードとカソード材料が含まれます。ナトリウムイオンはリチウムイオンよりもかさばるため、ナトリウムイオン電池は電圧が低く、重量と体積のエネルギー密度も低くなります。ナトリウムイオンの重量エネルギー密度は現在130Wh/kgから160Wh/kg程度ですが、将来的には200Wh/kgを超え、LFPデバイスの理論限界を超えると予想されています。しかし、電力密度の観点からは、ナトリウムイオン電池は1kW/kgで、ニッケル・マンガン・コバルト(NMC)の340W/kgから420W/kg、LFPの175W/kgから425W/kgよりも高くなっています。100〜1,000サイクルのナトリウムイオンデバイスの寿命はLFPよりも短いですが、インドの開発者KPITは、リチウムイオンデバイスに匹敵する6,000サイクルの80%の容量保持の寿命を報告しています。「ナトリウムイオン電池には、いまだに単一の化学反応はありません」とIDTechExのSiddiqiは述べています。「ラボの段階を超えて拡張性を可能にする完璧なアノード/カソード活物質を見つけるために、多くの研究開発努力が行われています。」
リチウムイオンを倒すものはあるのでしょうか?
ネットゼロの世界における長期エネルギー貯蔵の必要性は否定できませんが、従来型バッテリーの価格が下落している中、主流のリチウムイオンの支配力を打ち破るものはあるでしょうか? S&P Global の Susan Taylor が、非リチウム ストレージ テクノロジーに関する最新情報を提供します。リチウム供給ショックの完璧な嵐、製造業の本国送還の取り組み、クリーンエネルギーへの高い野望により、リチウムイオン電池に代わるエネルギー貯蔵手段の必要性が浮き彫りになっています。世界的なクリーン発電の増加に伴い、送電網には長期貯蔵の必要性がますます高まっています。 リチウムイオンの代替品の多くは、ライフサイクルコストが低く、安全性が高く、メンテナンスが容易で、特に重要な原材料への依存度が低くなります。リチウムイオンは現在、主に 2 ～ 4 時間の短期間の用途で、世界のエネルギー貯蔵容量の 90% 以上を供給しています。 再生可能エネルギーが主流となっているのはほんの一握りの場所だけであるため、8 時間以上の貯蔵の需要は比較的低いです。長期にわたる代替品長期貯蔵についても長期的なビジネスモデルは確立されていないが、2023年は長期貯蔵の調達、非リチウムサポートスキーム、戦略的パートナーシップにおいて記録的な年となった。 米国エネルギー省と州計画機関であるカリフォルニア州エネルギー委員会は、10時間以上の非リチウムエネルギー貯蔵のための資金提供を発表した。 英国は、圧縮空気エネルギー貯蔵（CAES）、フロー電池、液体空気エネルギー貯蔵（LAES）、揚水水力貯蔵（PHS）など、6時間を超える貯蔵のための新しいアプローチを支持している。昨年、電力会社と非リチウムエネルギー貯蔵プロバイダーの間で協定が締結された。 例えばドイツでは、電力会社は使用済み炭鉱の再利用に鉄亜鉛電池とCAESを検討している。その他、技術に依存しない長期エネルギー貯蔵調達計画も最近発表されました。 このような資金調達活動は、代替エネルギー貯蔵アプローチにとって魅力的であると同時に、リチウムイオンプロジェクトに支援を受ける資格を与える機会も提供します。オーストラリアは、2GW相当の8時間以上のプロジェクトに対する長期エネルギー貯蔵入札を開始した。 これまでに発表された 3 つの受賞者のうち、2 つはリチウムイオンプロジェクト、1 つは CAES です。 つい最近、イタリアは、2024年末に予定されている8時間の貯蔵用に9GWの調達を発表した。関連文書には、主要な候補としてリチウムイオンとPHSが記載されている。 歴史的には、リチウムイオンをそのような貯蔵期間までスケールアップすることは費用対効果が低いと考えられていました。 しかし、過去1年間、中国のリチウムイオン供給業者間の熾烈な競争と金属価格の下落により、リチウムイオンのコストが低下しており、これまで主流の技術では不経済だと考えられていた貯蔵期間での競争が生じている。 6～8時間のリチウムイオンプロジェクトはすでに中国、米国、オーストラリアで実施されており、計画されている6時間を超える貯蔵プロジェクト全体の50％以上を占めている。 これにより、その仕様で競合することを目的とした代替テクノロジーにとってさらなる課題が加わります。多くの非リチウム貯蔵アプローチにおけるもう 1 つの重要な課題は、リチウムイオン電池メーカーが電気自動車 (EV) 業界から活用している製造規模が不足していることです。 EVの人気の高まりにより、過去10年間でリチウムイオンのコストが大幅に削減できました。リチウムイオンと同じように隣接業界の既存のサプライチェーンを活用できる非リチウム貯蔵技術（CAES、LAES、ナトリウムイオン電池、重力貯蔵など）は、生産規模を拡大するのに適しています。たとえば、CAES に使用されるコンポーネントや機器には、発電業界の既製のターボ機械を使用した数十年分の実績があります。 CAES の既存のサプライチェーンはすでに確立されています。ナトリウムイオン技術エネルギー貯蔵分野におけるもう 1 つの注目すべき発展は、ナトリウム イオン製造に関する発表の数が増加していることです。 ナトリウムイオン技術は、確立された部品サプライチェーンとリチウムイオンと同様の製造プロセスの恩恵を受けています。 ナトリウムの原材料コストがはるかに低いということは、ナトリウム イオン電池が大規模であれば、8 時間を超えても持続時間がリチウム イオンよりも低いコストを達成できることを意味します。 それを実現するには、商業プロジェクトの実証と製造生産の増加がさらに発展する必要があります。 中国における最初の100MWhナトリウムイオンプロジェクトの発表は、すでにその方向への急速な動きの兆候である。エネルギー貯蔵産業のみに役立つ技術は、特にサプライヤーがリチウムイオンと競合している場合、よりオーダーメイドのコンポーネントの製造をコスト効率よくスケールアップするのに苦労する可能性があります。将来を見据え、化石燃料ベースの電力網の柔軟性が段階的に廃止され、再生可能エネルギーが発電の大部分を占めるようになる場合、8時間をはるかに超える長期間の貯蔵ソリューションに対する基本的なニーズが避けられません。 グリッドの柔軟性要件を、そのようなニーズが実際に発生する前に決定することが重要です。 それには、システムレベルでの専用の柔軟性評価が必要ですが、2023年の欧州の電力市場改革において、これに向けた前向きな一歩がすでに見られています。長期貯蔵ソリューションの長期的なビジネスケースを作成するには、固有の課題も克服する必要があります。再生可能エネルギーがエネルギー生成の転換点に達し、複数日にわたる貯蔵ソリューションが必要になるにつれて、この課題はますます重要になります。リチウム システムのコスト削減につながる価格競争の継続は、サプライヤーが確立されたアプローチとの競争に努めているため、代替技術にとって大きなハードルとなっています。 さらなる戦略的パートナーシップと長期にわたる調達計画により、非リチウムエネルギー貯蔵ソリューションの将来のパイプラインが引き続き推進され、最も効果的に拡張でき、大規模な商業プロジェクトがより大きな市場シェアを獲得できることが実証されます。