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JST、太陽電池向け電荷分離構造を持つ高分子材料を合成、光電変換を高効率化

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自然科学研究機構分子科学研究所と科学技術振興機構(JST)は、太陽電池向けに、電子ドナーとアクセプターを重合することにより、電荷分離を制御し光電変換を高効率にする二次元高分子材料の合成に成功したと発表した。

光を電気に変換するためには、光励起で生じる電荷分離状態をいかに効率よくつくるかが重要となる。光の照射で電子を放出する「電子ドナー」と放出された電子を受けとって電極まで運ぶ「アクセプター」を組み合わせた系では、光誘起電子移動反応によって電荷分離状態をつくることができるが、効率よく電荷分離を達成するためには、電子ドナーとアクセプターを組織化する必要があった。しかし、電荷分離状態をつくるための電子ドナーとアクセプターの混合は、一般にランダムに行われていたため、分離が起こるドナー・アクセプター界面の形成やそこで発生した電子の移動はこれまで制御することができなかった。

また、電子ドナーとアクセプターは強い静電相互作用のため容易に会合し、光励起エネルギーがすぐに失活して電荷分離状態は失われてしまう問題があり、変換効率の向上は頭打ちとなっていた。この課題を解決するために、電子ドナーとアクセプターを空間的に独立させ、かつ電子移動が起こりうる近い距離に保つことができる分子構造が求められていた。

今回、研究グループは、二次元高分子(積層することによって多孔性有機構造体を形成する高分子)の持つ規則正しい周期構造に着目。これまで一般に電子ドナー・アクセプターはランダムに混合されてきたが、今回、二次元高分子の構築に電子ドナーとアクセプターユニットを用い、新たな二次元高分子の合成に成功した。今回合成した二次元高分子は、電子ドナーからアクセプターへの光電子移動反応を引き起こすために、ドナーとアクセプターを数ナノメトールという非常に近い距離に置くこと、また、電子ドナーとアクセプターが独立することで、ドナー・アクセプター間で接合界面ができ、電荷分離が可能となり、電子移動を効率よく起こすことができること、のどちらの条件も満たした。

本研究の成果により、電荷分離や電子移動の制御が可能な究極の構造を持つ電子ドナー・アクセプター二次元高分子を材料として用いることで、今後、次世代太陽電池をはじめとした光電変換デバイスの変換効率向上につながる新材料開発への展開が期待される。

本成果はJSTの戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)の「太陽光と光電変換機能」研究領域における課題の一環として、自然科学研究機構分子科学研究所の江東林准教授らの研究グループによって得られた。

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