エネルギー
光子アップコンバージョンが太陽水素の可能性を拡大できるかもしれません
太陽光を有用なエネルギーに変換することに関しては、太陽光発電に多くの努力が注がれてきました。これは、太陽のエネルギー出力の多くを電気に変換できる方法だからです。
しかし、これはすべての用途にとって最も効率的な選択肢であることを意味するわけではありません。例えば、グリーン水素を生産することが目的の場合、効率が各段階で失われる多段階プロセスが生じます: 太陽光 → 電力 → 送電 → 電解 → 水素。
このため、さまざまなアプローチが検討されてきました。特に、太陽光を直接利用して水を水素に変換する光触媒（photocatalysis）というプロセスが注目されています。
問題は、適切な触媒があっても、太陽光の大部分は可視光と赤外線領域にあり、水分子を水素に分解するのに十分なエネルギーがありません。そのため、シリコンカーバイドによる光触媒効率の向上を行っても、依然として理想的ではありません。主に、紫外線（UV）領域だけが十分に強いのです。
このように、九州大学と理化学研究所（SOKENDAI）の日本人研究者が、新しい固体状態の手法で光子エネルギーレベルを高めることができると発見したことは、将来のグリーン水素生産にとって画期的な可能性があります。彼らはこの成果を権威あるジャーナル『Nature Communications』1に掲載し、タイトルは「Sterically protected π-electron systems for efficient solid-state photon upconversion」です。
可視光から紫外線へ
水を水素に光触媒で変換することは、グリーンエネルギーの生産を根本的に拡大できる可能性があります。これは、グリーン水素が、日照不足や風がない期間の数週間から数か月にわたるエネルギー貯蔵に欠かせない要素であり、また、船舶や航空といった分野の脱炭素化に最適な燃料であり、直接的に、あるいはアンモニアや人工燃料の生産を通じて利用できるからです。しかし残念ながら、光触媒を実行できるのは紫外線だけです。
「紫外線（UV）光を使用する無機光触媒は高効率の光触媒水分解を実現していますが、太陽光中のUV比率が低い（300〜400nm領域で約3％）という問題があります。」
しかし、代替案はより優れた触媒ではなく、はるかに豊富な可視光をUVに変換する、すなわち「光子アップコンバージョン」かもしれません。
研究者はトリプレット–トリプレット消滅（TTA-UC）に基づく光子アップコンバージョンプロセスに注目しました。最も簡単に説明すると、受容体分子が二つの低エネルギー光子を吸収し、再放出することで、単一の高エネルギー光子に統合します。
出典: Nature
光子アップコンバージョン安定性の最適化
液体から結晶へ
これまで、1,4-ビス((トリイソプロピルシリル)エチニル)ナフタレン（TIPS-Nph）や2,5-ジフェニルオキサゾール（PPO）などの分子を用いたアップコンバージョン手法は高い量子収率（ΦUC）を示していますが、溶媒の揮発性がデバイス応用や長期使用において重大な制約となっています。
実用的な解決策は、スケールで展開でき、ほとんどまたは全くメンテナンスが不要な安定した材料を必要とすることです。これにより、光触媒コンバータの大規模なフィールドを展開し、グリーン水素を大量に生産できるようになります。
結晶や固体受容体では、シングレットクエンチングと呼ばれる現象が量子収率を低下させることがあります。
研究者は、受容体として使用される有機分子にアルキル鎖置換（長い炭素鎖の付加）を導入し、安定性を高め、シングレットクエンチングの発生を減少させました。
出典: Nature
結晶性能の測定
研究者は、DHI（5,10-ジヒドロインデノ[2,1-a]インデン）という分子を使用し、液体形態（溶液）ではほぼ完璧な96％の量子収率を示しました。しかし、結晶形態になると収率は著しく低下します。
分子に余分な炭素鎖を付加すると、DHIの結晶形態で64％〜69％という高い量子収率が得られます。この高い結果は、ドナー分子が受容体結晶内に均一に分散しており、効率的なトリプレット感作が可能であることを示しています。
出典: Nature
この材料は、常温でのキャスティングやスピンコーティングなどのシンプルなフィルム形成技術でも製造でき、特別な加熱処理を必要としないため、将来の産業規模での大規模応用に適している可能性が高まります。
このプロセスは酸素に対して耐性があり、むしろ酸素を必要とするため、商業用途で重要な要素である密閉された無酸素環境で行う必要はありません。
「TTA-UCは、系内の酸素が単一酸素へ変換されて消費されるとオンになります。iBu-DHI/Ir(ppy)3フィルムは、強い照射（λdt = 370 nm、Iex = 2.0 W cm–2）下でも空気中で1時間以上アップコンバージョンを示しました。」
出典: Nature
結晶の性能は一般に原子レベルの微細構造に依存します。そのため、研究者はまず理論計算を行い、これらの結晶の可能性のある構造を特定しました。
次に、X線結晶構造解析で結晶をテストし、単結晶とスピンコート膜のX線回折パターンが類似していることを確認し、この手法が機能する理由を示しました。
出典: Nature
これは、結晶がさらに最適化できないという意味ではありません。個々の結晶の生成と薄層での組織化をより精密に制御する方法により、理論的にさらに高い収率が可能です。
「現在の固体状態の可視光からUVへのTTA-UCシステムの性能は、ドナー分子構造の最適化と制御された結晶化プロセスの採用によりさらに向上させることができます。」
将来の応用
現在、水素生産は化石燃料から生成される「グレー水素」が主流で、再生可能エネルギーから作られる「グリーン水素」はまだ小規模ですが増加しており、他の燃料と経済的に競争するのに苦労しています。
最終的に、太陽光を直接利用して水素を生成すれば、大規模な電力送電、バッテリー、ケーブル、電極触媒を必要とせず、設置コストを大幅に削減できます。中間工程がなくなることで、電解触媒を使用する方法に見られる深刻な課題であるグリーン水素生産の全体的なエネルギー効率も向上します。
「本研究で開発されたπ保護されたDHIクロモフォアの設計原理は、さまざまなクロモフォアに広く応用できるでしょう。シンプルなスピンコーティングやドロップキャスティングで作製した薄膜に優れたTTA-UC特性を実現し、広範な応用への道を開き、励起トリプレットを含む光機能化学を革命的に変える可能性があります。」
このような安定性の高い新規固体材料は、低強度で豊富な光子を水素生成用の高強度UV光子に変換することで、商業的に実用可能な次世代光子材料を実現できるでしょう。
先進的な太陽エネルギーへの投資
First Solar
(FSLR )
現在、世界の太陽光パネルの大半は中国で生産されています。これは、中国がポリシリコンの生産と太陽電池の製造において広範なエコシステムを持っているためです。
しかし、シリコン系太陽電池以外の技術も存在し、西側の太陽産業の生き残り企業の一つであるFirst Solarは、カドミウムテルル化合物（CdTe）太陽電池を用いてこの分野をリードしています。これらは製造が容易（薄膜技術）で、シリコン系電池よりも高効率ですが、原材料コストが高くなります。
このタイプのセルは耐久性も高く、太陽電池の寿命コストと減価償却を計算する際に、住宅所有者と公益事業者の双方にとって方程式が変わります。特に、太陽電池の収率向上とコスト低減の急速な進展がここ数年で鈍化していることが影響しています。
出典: First Solar
カドミウムテルル化合物セルの生産は主に自動化された製造プロセスであるため、労働コストの差に対して比較的影響が少なくなります。これにより、西側諸国での生産がはるかに競争力を持ち、特に国内販売の場合は輸送コストも削減できます。
ポリシリコン精製などの各工程を専門とする複数の工場が必要で、太陽電池の製造に数日かかるのに対し、First Solarは原料から完成品までを4時間未満で行うことができます。
長期的には、First Solarは古いセルからカドミウムテルル化合物を完全にリサイクルし、全太陽電池の90％を回収できると見込んでいます。リサイクルされたモジュールの残りの5〜10％は主にガラス微粒子で、これらはダストコントロールシステムと高効率粒子空気（HEPA）フィルタで捕集されます。
これにより、材料コストが削減され、資源採掘の環境コストが除去され、汚染リスクもなくなります。
「販売されたすべてのモジュールに対し、寿命終了時にモジュールを回収しリサイクルするサービスも提供しています。これは、欧州で規制が導入される8年前のことでした。現在、PVが含まれる電子廃棄物指令があります。」Andreas Wade – Global Sustainability Director at First Solar Future Techs
カドミウムテルル化合物に加えて、First Solarはペロブスカイトやカドミウムテルル化合物‑ペロブスカイトハイブリッドセルなど、さらに高度な太陽電池技術も検討しており、これらはより高い効率と耐久性を持つ可能性があります。
長期的には、First Solarが薄膜太陽光パネルの製造で培った経験を、水素生成用の光触媒セルにも応用できるでしょう。
全体として、First Solarは、地政学的に敏感な中国の生産者ではなく、西側の生産者に焦点を当てた太陽エネルギーブームへの投資を検討する投資家にとって優れた銘柄です。
(First Solarについては、当社の投資レポート（会社専用）で、そして太陽エネルギーについてはレポート「The Solar Age – A Bright Future To Mankind」で詳しく読むことができます)
最新のFirst Solar（FSLR）株式ニュースと開発
参照された研究
1. Harada, N., Shoyama, H., Boonmong, N. et al. 立体的に保護されたπ電子系による効率的な固体状態光子アップコンバージョン. Nature Communications. 17, 5134 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73898-0 （日本語）
