振電コヒーレント相互作用を用いた光捕集タンパク質増感太陽電池の開発

• Project/Area Number: 22K05304
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 36020:Energy-related chemistry
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: 田村 浩司 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 東海量子ビーム応用研究センター, 専門業務員 (10354820)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 安達 基泰 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, 上席研究員 (60293958)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2026: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2025: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
• Keywords: 増感太陽電池 / 光捕集タンパク質 / 振電コヒーレント相互作用 / 色素増感太陽電池

Outline of Research at the Start

色素増感太陽電池は、太陽光エネルギーを色素分子(増感物質)で吸収して電気エネルギーに変換するものであり、太陽光の利用波長域が広く低コスト生産が見込めるなどの特長を有するものである。一方、光合成の光捕集を担うフィコビリンタンパク質において、電子伝導と分子振動の結合した振電コヒーレント相互作用による高効率な励起伝導機構が注目されている。本研究は、このような有望な光捕集タンパク質を増感物質に用いた太陽電池を構築開発することにより、脱炭素社会実現に貢献することを目指すものである。

Outline of Annual Research Achievements

光捕集タンパク質を用いた高効率の増感太陽電池開発を目指して、1) 光捕集タンパク質,　2) 太陽電池の開発を行った。
１) タンパク質開発では、フィコシアニンタンパク質を組換え型として作製し、効率よくチタン酸化物に結合させることを目的として、変異体の作製をすすめた。既報の立体構造を参考に、フィコシアニンのB鎖のC末端に電荷や疎水性アミノ酸を集中させたものを12種類設計し、試料精製に向けて、大腸菌発現プラスミドを作製した。
２）電池開発では、QST拠点廃止に伴う東海から高崎地区への施設移転のため、機器類移動や実験環境の立ち上げを行う必要が生じ、また実験用シンク等の必須設備の一部は新たに整備が必要となったため、その購入・整備を行った。これにより、電池開発に必要な環境をおよそ確保することができた。その後、天然フィコシアニンタンパク質を用いた試料調整準備、ガラス基板へのチタン酸化物の塗布や加熱処理、タンパク質の吸着、電解液の保持、電池構成などの電池作製の基本プロセスを準備した。また、光照射時の電流電圧特性などの電池特性の測定手法も整備を行い、太陽電池試作を可能とすることができた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

1) タンパク質の開発に関しては、繰り返し配列があるため、サブクローニング過程で変異が導入できないことを懸念していたが、変異体のプラスミド遺伝子の作製まで無事終了した。
2)　電池作製に関しては拠点移動に伴う時間・予算的損失が大きかったが、必要物品購入や環境整備により、電池作製試験環境を構築でき、開発を始めることができた。

Strategy for Future Research Activity

1) タンパク質の開発に関しては、作製したプラスミド遺伝子を作製し、大腸菌による発現系を利用して、人工の変異型フィコシアニンタンパク質の精製を進める。
2) 電池作成に関しては、引き続き環境整備するとともに、光捕集タンパク質を用いて電池作成条件や光変換特性の測定を開始する。