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高効率非フラーレン有機薄膜太陽電池の光電変換機構の理論的解明

Research Project

Project/Area Number 23K04677
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

田村 宏之  東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任准教授 (60390655)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2025: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Keywords励起子 / 太陽電池 / 量子化学 / 量子ダイナミックス / マテリアルズインフォマティックス / エキシトン
Outline of Research at the Start

有機薄膜太陽電池は次世代太陽電池として期待されており、近年の非フラーレン電子アクセプター分子の進歩により光電変換効率が劇的に上昇している。本研究では、有機薄膜太陽電池の光電変換機構を根本原理から解明し高効率な新材料の設計指針を与えるため、第一原理計算と量子ダイナミックス計算を駆使した理論研究に取り組む。申請者のこれまでの有機系太陽電池の理論研究を発展させ、本研究では特に高効率非フラーレンアクセプターに着目し、光吸収、励起子拡散、電荷分離、電荷輸送を理論解析することにより効率を支配する要因を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

有機薄膜太陽電池は次世代太陽電池として期待されており、近年の非フラーレン電子アクセプター分子の進歩により光電変換効率が劇的に上昇している。本研究では、有機薄膜太陽電池の光電変換機構を根本原理から解明し高効率な新材料の設計指針を与えるため、計算化学とマテリアルズインフォマティックスを駆使した理論研究に取り組んだ。特に高効率非フラーレン電子アクセプターに着目し、光吸収および励起子の電荷分離を理論解析することにより効率を支配する要因を検討した。電子ドナー分子(PM6)とY6の界面における電子/正孔解離ポテンシャルをQM/MM計算で理論解析し、構造の乱れた界面より結晶性の高いバルク部でLUMOレベルが分子の極性によって安定化される効果を明らかにした。また、量子化学的解析に基づいてモデルハミルトニアンを決定し、量子ダイナミックス計算によってPM6/Y6界面での励起子の電荷分離を解析した。電荷の非局在やポテンシャルカスケードが電子-正孔解離障壁を下げることで、比較的小さいバンドオフセットでもサブピコ秒の効率的な電荷分離が起こり得ることが示唆された。また、有機薄膜太陽電池の電子アクセプターの計算化学的分子設計のために、分子構造の仮想自動生成プログラムを開発し、網羅的な量子化学計算による特性解析に取り組んだ。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

非フラーレン有機薄膜太陽電池の光電変換機構の解明と高効率な材料の設計のために、計算化学とマテリアルズインフォマティックスによる研究に取り組んだ。機構解明については、励起子のドナー/アクセプター界面における電荷分離機構について新しい知見を得ており、論文投稿の準備を進めている。また、分子構造の仮想自動生成のためのPythonスクリプトを開発し、スパコン富岳の利用申請をして、大量の分子の網羅的な量子化学計算で太陽電池に必要な特性を解析する体制を整えた。このため、研究計画はおおむね順調に進展していると考える。

Strategy for Future Research Activity

前年度に引き続き、非フラーレン有機薄膜太陽電池の光電変換機構の解明と高効率な材料の設計のために計算化学とマテリアルズインフォマティックスを駆使した研究に取り組む。エネルギー変換機構について得られた知見を論文として発表する。また、分子構造の仮想自動生成のためのPythonスクリプトを開発し、スパコン富岳を活用した網羅的な量子化学計算で高効率な太陽電池として有望な新材料を予測する。分子構造と光物性の相関を解析し太陽電池特性を予測する機械学習モデルを構築する。

Report

(1 results)
  • 2023 Research-status Report
  • Research Products

    (4 results)

All 2023

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Difference in the Charge-Separation Energetics between Distinct Conformers in the PixD Photoreceptor2023

    • Author(s)
      Noji Tomoyasu、Tamura Hiroyuki、Ishikita Hiroshi、Saito Keisuke
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 127 Issue: 48 Pages: 10351-10359

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.3c06483

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Quantum mechanical analysis of excitation energy transfer couplings in photosystem II2023

    • Author(s)
      Saito Keisuke、Mitsuhashi Koji、Tamura Hiroyuki、Ishikita Hiroshi
    • Journal Title

      Biophysical Journal

      Volume: 122 Issue: 3 Pages: 470-483

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2023.01.002

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 有機薄膜太陽電池における励起子の電荷分離機構の理論的解明2023

    • Author(s)
      田村宏之
    • Organizer
      光化学討論会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Combined electronic structure and quantum dynamical analysis for singlet fission2023

    • Author(s)
      Hiroyuki Tamura
    • Organizer
      10th Jubilee Singlet Fission Workshop
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2023-04-13   Modified: 2024-12-25  

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