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研究内容

近年,環境・エネルギー問題の解決と持続可能な社会の構築が望まれる中,太陽エネルギーの利用が社会から期待されている.本研究グループでは,化学的な手法により機能を付与したナノカーボン材料を創出・駆使し,高機能な有機光電変換素子を創製する研究開発を行っている.有機系太陽電池に用いられる個々の材料,例えば有機半導体分子や,ナノカーボン材料,そして一部の無機系材料について,新規物質合成,機能化研究,素子応用研究などを行っている.それらは,新規化合物の合成化学研究から,新しいコンセプトに基づく有機電子素子開発までを含む.我々の研究は,有機化学,無機化学,物理化学,応用物理学にまたがっており,研究メンバーは,互いに議論しながら,分野横断的に研究を進めている.

はじめに

 太陽電池などによる自然エネルギーをより多く獲得することは,美しい地球の環境を保全していくにあたり,今世紀の研究者にとって大きな研究課題となっている.遅くとも今世紀の終わりには,太陽光発電が主たるエネルギー創出源となり,太陽電池が発電していない時間帯の電力を火力発電などで補う未来が期待されている.化石燃料などの限りある資源はできるだけ化学資源として活用され,電力などは太陽のエネルギーを直接的または間接的に活用して生み出される社会が思い描かれている.そのような時代背景のもと,今世紀,太陽電池の研究が活発に行われている.用いる材料やデバイスの構造を研究しエネルギー変換効率を上げることはもとより,実用化のための安定性向上や低コスト生産を念頭においた研究も多く行われている.

「カーボン太陽電池」を目指した新しい有機系太陽電池の創製

 太陽電池の製造コストを下げるためにも,有機薄膜太陽電池およびペロブスカイト太陽電池に代表される有機系太陽電池の研究が世界中で行われている.これらの太陽電池では,有機系とはいいながらも,特に電極では,インジウムスズ酸化物(ITO)透明電極や,金,銀,アルミニウムなどを用いる裏面電極で,無機系材料を多用している.そして無視できないのは,有機系太陽電池全体におけるコストのうち,ITO電極など電極にかかるコストの比率がとても高いことである.すなわち,ここを安価にすれば,有機系太陽電池全体のコストをさらに低減することができると考えられる.そのような観点から,我々は無機系の電極をできるだけカーボンナノチューブ(CNT)電極に置き換えた有機系太陽電池の研究開発を行なっている.炭素は元素としても地球上に普遍的に存在し,インジウムなどの限られた元素を使用する必要もない.また,電極を炭素材料とすることで,さらに軽量で曲げに強くなる.また,多くの場合,CNT電極は電荷選択機能を有しており,電荷選択層を必要としない場合もある.さらに,最近,我々は,半導体CNTを用いて,CNTを光電変換活性層に用いる検討を行っている.

有機系太陽電池の研究開発

 分子の設計から始まる化学的アプローチによる有機薄膜太陽電池の研究を行っている.すなわち,望みの光・電子機能および集合体構造をもつ有機分子や有機金属錯体の設計・合成から,界面構造構築,光電荷分離機能の研究,デバイス作成,特性評価・解析まで,一貫した研究を行っている.例えば,電子ドナーの開発では,自然界での光合成における葉緑素(クロロフィル)にならったマグネシウムポルフィリン電子ドナーを合成し,それをバルクヘテロ低分子塗布型有機薄膜太陽電池に用いて7.4%のエネルギー変換効率を得ている.また,新規フラーレン誘導体をペロブスカイト太陽電池の電子輸送層として用いて21%のエネルギー変換効率を得ている.

 

フラーレンカチオンを中間体とする新しいフラーレン誘導体合成手法の開発

 フラーレンは高い電子親和力をもつため,フラーレンアニオンやフラーレニルアニオンを中間体としたフラーレン誘導体合成が多い.例えば,PCBM,五重付加体の合成,Prato反応,Bingel反応,グリニャール試薬の付加反応など,全てアニオン性中間体を経由した反応である.我々はフラーレンから電子を抜き取って生成するフラーレンカチオン中間体の性質や,それを用いて新しいフラーレン誘導体を得るための新規反応開発に注力している.フラーレンカチオン中間体は,中性のフラーレンより高い電子親和力をもち,弱い求核剤や非共有電子対との反応が可能になり,これまでの方法では得られなかった新たなフラーレン誘導体を合成することか可能になる.また,フラーレンカチオン中間体は,水や酸素に対して安定であるので,空気中にて反応を行うことも可能になる.さらに,リチウムイオン内包フラーレン(Li+@C60)をフラーレンカチオン反応種とみなし,その高い電子親和力を活かしたリチウムイオン内包フラーレン誘導体の合成研究も行っている.

リチウム内包フラーレンの誘導体化および電子デバイス応用研究

 リチウムイオン内包フラーレン(Li+@C60)は,フラーレンの内部に陽イオンであるリチウムイオンを有し,その影響で高い電子親和力をもつ.LUMO準位も深く,また,イオン性の化合物であるため,空のフラーレンと比べて反応性や物性は大きく異なる.扱い始めた当初,反応性が高すぎてじゃじゃ馬のような物質という印象をもったが,徐々に性質もわかってきて,化学修飾を行ううえでの指針もみえてきている.逆に特異な反応性を活かして,空のフラーレンでは起こり得ない反応が起こることを期待して,リチウム内包フラーレンの誘導体化研究を続けている.

 また,リチウムイオン内包フラーレン(Li+@C60),中性のリチウム内包フラーレン(Li@C60)をそれぞれpドーパント,nドーパントとして用いる研究を行っている.Li+@C60は有機半導体と混ぜただけで,そこから電子を奪い取り,有機半導体にホールをドープすることができる.また,Li@C60はその抗酸化力により,有機薄膜デバイスの寿命を長くする効果をもつほか,電子輸送層に対して電子ドープを行うことができる.リチウム内包フラーレン類は高価であるため,このようにドーパントとして有機デバイスに活用する道を探索をしている.

有機パイ電子共役系の化学

 有機薄膜太陽電池,有機EL素子,有機トランジスタをはじめとする有機エレクトロニクスデバイスの高効率化研究において,用いる有機半導体分子の光・電子物性の設計と,制御された分子集合体・分子組織体の構築は高効率化の鍵を握る.分子および分子集合体の設計を行い,アセン類やポルフィリン誘導体を基本骨格とする長波長光吸収が可能でキャリア移動度の高い有機半導体の開発を行っている.コアとなる低分子π電子共役系に高いHOMO準位をもつ電子豊富部位と低いLUMO準位をもつ電子不足部位を組み込み,長波長光吸収が可能で耐久性の高い低分子ローバンドギャップ材料を開発している.

 

フラーレン誘導体の合成化学と機能研究

 有機薄膜太陽電池に用いる電子受容体として重要な,フラーレン誘導体の研究を行っている.例えば,高い開放電圧を与える電子構造,アモルファスから結晶相への熱を駆動力とするモルフォロジ変化,結晶におけるハニカム状充填構造などを考慮して独自に設計した 1,4-二重付加型フラーレン誘導体を合成し,それを電子受容体として用いて高いエネルギー変換効率を示す有機薄膜太陽電池の開発に成功している.高効率・高選択的なフラーレン修飾反応を開発し,新しいフラーレン誘導体,フラーレン遷移金属を合成する研究を行うとともに,それらを光電変換素子,液晶,分子エレクトロニクス材料,金属炭素ナノ材料,発光材料へ応用する研究を行っている.

 

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