水素は、私たちの家や企業に動力を供給し、化石燃料への依存を減らすのに役立つ清潔で再生可能な燃料です。ただし、特に費用対効果が高く持続可能な方法で、水素を生成することは課題になります。
水素生産に対する有望なアプローチの1つは、シリコンを使用することです。シリコンは、地球の地殻に豊富な半導体材料です。水にさらされると、シリコンは光電気化学（PEC）水分割と呼ばれるプロセスを通じて水素ガスを生成できます。
PEC水分裂では、光エネルギーはシリコン半導体によって吸収され、電流が生成されます。この電流は、水分子の水素と酸素ガスへの分裂を促進します。
PEC水分割の効率は、使用するシリコンの種類、光源、細胞設計など、いくつかの要因に依存します。しかし、研究者は近年、このプロセスの効率を改善することに大きな進歩を遂げています。
2017年、カリフォルニア工科大学（CALTECH）の研究者チームは、太陽から水素への変換効率を12.4％達成した新しいタイプのシリコン光電極を報告しました。これは、シリコンベースのPEC水分割システムでこれまでに報告された最高の効率です。
Caltechの研究者は、より多くの光を吸収するのに役立つ粗い表面を持つブラックシリコンと呼ばれる特別なタイプのシリコンを使用しました。また、プロセスの効率を向上させるために、集中光源と特別に設計されたセルを使用しました。
この新しいタイプのシリコン光電極の開発は、費用対効果の高い持続可能な水素生産の探求における重要な前進です。継続的な研究開発により、PEC水分裂はいつか清潔で再生可能エネルギーの主要な源になる可能性があります。
水素生産にシリコンを使用する利点
水素生産にシリコンを使用することには、以下を含むいくつかの利点があります。
* 存在量： シリコンは、酸素後の地球の地殻で2番目に豊富な要素です。これは、それが容易に入手可能で安価な素材であることを意味します。
* 安定性： シリコンは非常に安定した材料であり、過酷な環境での使用に適したものです。
* 非毒性： シリコンは無毒です。つまり、人間や環境に健康上のリスクをもたらさないことを意味します。
* 高効率： シリコンベースのPEC水分割システムは、高い効率を達成できます。つまり、少量のエネルギーで多くの水素を生成できます。
水素生産にシリコンを使用することの課題
また、水素生産にシリコンを使用することに関連するいくつかの課題もあります。
* 高コスト： シリコンは比較的高価な材料であり、大規模な水素の生産を困難にすることができます。
* 限られた光吸収： シリコンは光をあまりよく吸収しません。つまり、水分割プロセスを駆動するのに十分な電力を生成することは困難です。
* 腐食： シリコンは、水の存在下で腐食する可能性があり、PEC水分割システムの効率と寿命を減らすことができます。
研究の指示
研究者は、水素生産にシリコンを使用することに関連する課題を克服するために取り組んでいます。最も有望な研究方向のいくつかは次のとおりです。
* 光の吸収により効率的で腐食の影響を受けにくい新しいタイプのシリコン材料の開発。
* 細胞設計を改善して、水分割プロセスの効率を向上させます。
* シリコンベースのPEC水分割システムのコストを削減します。
継続的な研究開発により、シリコンベースのPEC水分裂は、いつかクリーンで再生可能エネルギーの主要な源になる可能性があります。
