2016 Fiscal Year Research-status Report
1分子計測法を駆使したヘテロ界面電荷移動への包括的アプローチ
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15K05398
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| Research Institution | Rikkyo University |
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Principal Investigator |
三井 正明 立教大学, 理学部, 教授 (90333038)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ブリンキング / アントラセン / 色素増感太陽電池 / 有機色素 / 光電変換 / 単一分子分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでのエネルギー変換材料・デバイスにおける光電変換過程の研究のほとんどは、試料全体を評価する、いわゆるアンサンブル測定によって行われてきた。本研究では、エネルギー変換デバイスの一部分を切り出して単純化した系（例えば、高分子薄膜系や半導体電極系）から実デバイスに至る系までを対象とし、光電変換に関わる素過程（電荷分離、電荷再結合、電荷拡散など）を空間分解分析し、究極的には単一分子のレベルで解明することを目的としている。本年度は以下に記す1～3の研究成果を挙げた。
1.単一分子分光による高分子膜中における光誘起電荷移動と電荷キャリア挙動の解明：ポリメチルメタクリレート（PMMA）ポリマー薄膜中においてペリレンジイミド（PDI）誘導体が示す蛍光ブリンキングの光子積算時間依存性を考慮してMLE-KS解析を実行することにより、PDIとPMMA間の電荷分離・電荷再結合および電荷拡散に由来するon-time、off-time分布を明らかにし、この系における励起状態ダイナミクスの全容を明らかにした。
2.アントラセン誘導体の超分子錯体の光物性の解明：Dimericな高発光性アントラセン誘導体を包接した超分子カプセル錯体の単一分子蛍光分光を行い、その励起状態緩和過程や光安定性を明らかにした。また、Trimericな環状アントラセン誘導体の光物性と自己集合特性を明らかにした。
3.光電流-発光顕微計測（SPCM）による色素増感太陽電池（DSC）の空間分解分析：SPCM法をRu錯体系および有機色素系から成るDSCに適用し、マクロな計測手法では得られないDSCの光電変換を特徴づける各素過程の時定数の分布やそれらの微視的相関を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、次の３つの課題を実現することを目指している。課題1：単一分子蛍光分光法による低速なヘテロ界面電荷移動ダイナミクスの解明、課題2：超高速ヘテロ界面電荷移動を起こす吸着色素の挙動の解明、課題3：光電流による1分子計測 “SM-PCM 法”の確立
課題1では、Atto647N色素と酸化チタンの系に対して単一分子蛍光分光を適用し、色素と酸化チタンの間の電子移動により酸化チタンへ注入された電子はべき乗則に従う拡散過程を通じて、最終的に酸化した色素とAlberyモデルに従う電荷再結合過程を起こすことが分かった。これまでの研究では、電子拡散と電荷再結合過程のどちらか一方だけを考慮した理論モデルで実験結果の解釈が行われてきたが、本研究では、両過程が競合・連動して起こっていることを示すことに成功した。
課題2については、Ru錯体やMK-2有機色素を用いた色素増感太陽電池デバイス系に対して光電流と発光の並列顕微測定を行い、光電流生成に寄与する超高速電子移動を起こす吸着色素と発光に寄与する低速電子移動を起こす吸着色素の数や相対的な割合を決定することに成功した。現在、これらの成果を国際論誌へ投稿する準備を進めている。課題3については、顕微計測装置の感度や１分子あたりの光電流量を定量評価することで、現状で50分子程度の光電流を検出することが可能であることを明らかにした。本研究課題の最終年度となる平成29年度は、セルの作製条件の最適化と装置の検出方式の改良を更に進めることで、太陽電池デバイス環境下における1分子レベルの光電流検出が実現可能になると期待される。
以上のように提案課題全てに対して着実に研究が進展しており、おおむね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は、レーザー走査光電流顕微計測装置の感度を向上させるため、これまでのピコアンメーターを用いた短絡電流の計測方式から、電流プリアンプ（新規導入設備）とロックインアンプ（現有設備）を組み合わせた計測方式に改良を試みる。これにより、光電流イメージ取得時間の大幅な短縮や電流検出感度の１桁以上向上が見込まれる。これにより、固体型色素太陽電池デバイス環境下において光電変換を行う単一分子の光電流計測を実現させることを目指す。
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| Causes of Carryover |
色素試料や溶媒、太陽電池を作製するための導電性ガラスや酸化チタンペーストなどの消耗品が年度初めの予定よりも抑えられたため、その予算を最終年度に持ち越すこととした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
昨年度から持ち越された119,914円は、最終年度に行う装置改良のために必要な物品の購入に用いることを予定している。
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