2015 Fiscal Year Research-status Report
ホウ素錯体をクロモフォアとする太陽電池色素の高性能化
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15K05422
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
小野 克彦 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20335079)
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| Project Period (FY) |
2015-10-21 – 2018-03-31
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| Keywords | 太陽電池色素 / ホウ素錯体 / 電荷移動遷移 / 色素吸着量 / 電子注入効率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機ホウ素錯体はクロモフォアとして優れた性質をもつため、太陽電池色素のビルディングブロックとして期待される。本研究では、その特性を効率よく増感作用へ変換するために、阻害要因を解析して色素構造の最適化を検討する。具体的には、①分子内電荷移動遷移（ICT遷移）と電子注入との相関に注目して両者の方向を揃えるとともに、②電極上で形成される集合体構造に着目し色素の吸着量を上昇させる分子設計を行った。これに対する２種類の色素モデルとして、直線的な形状をもつO--O配位型およびN--O配位型ホウ素錯体を開発した。
O--O配位型ホウ素錯体では、πスペーサを修飾することで直線形分子を合成した。この色素の光吸収特性と電気化学的性質を調査した結果、非直線形分子に対してほとんど性質に違いはなく、分子の電子物性を保持しながら構造変換を達成することができた。一方、電極基板上での集合状態には違いがあり、非直線形分子でみられるJ会合体由来の特徴は直線形分子で観測されないことが分かった。このため、太陽電池において励起状態からの失活が抑制されると期待できる。
N--O配位型ホウ素錯体では、ホウ素キレート構造を修飾して直線形分子を設計した。この色素では、光吸収特性からHOMO-LUMOギャップの増大および電気化学的性質からHOMOとLUMO準位の上昇が観測された。これより、直線形分子であり電子物性の異なるホウ素錯体を開発することができた。
本研究課題は年度途中に採択されたため、両色素の太陽電池特性はまだ評価していない。しかし、目的とする物質の合成ならびに電子物性を明らかにするとともに、この内容をまとめて学会発表を行った。そのため、研究は採択時に作成した研究計画書通りに進展している。
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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
研究１年目の目標は、O--O型とN--O型ホウ素錯体について直線形色素を合成することであった。上記の研究概要の通りにそれぞれのホウ素錯体を得ることに成功し、電子物性の評価を行った。この結果、どちらも直線形構造をもつ色素であるが、O--O型錯体では電子物性が保持され、N--O型錯体ではHOMOやLUMO準位が大幅に上昇した。現在のところ太陽電池評価まで至っていないが、色素構造の最適化を行う上で特徴的な２系統の色素分子を合成できたことは十分な成果といえる。
現在注目している特徴は、O--O型ホウ素錯体が成膜状態でJ会合を抑制する点である。これから、太陽電池で励起子の失活を抑え、変換効率を上昇させる効果が期待される。
一方、ホウ素系色素ではそのLUMO準位は一般的に低く、色素分子から酸化チタン伝導帯への電子注入効率が低下する。また、LUMO準位を上昇させるための分子設計指針も未解明である。その中で、今回合成したN--O型錯体ではLUMO準位が大幅に上昇しているため、この新規色素は電子注入効率を改善するものとして有望である。
以上のように、採択時の研究計画書通りに進行していること、また、今後の太陽電池評価において良好な結果が期待されることから、おおむね順調に進展していると自己評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究２年目の達成目標は、O--O型とN--O型ホウ素錯体の物性および太陽電池の評価である。この調査において、本研究の着眼点である上記の①直線的なICT遷移と②電極への吸着量の増大について手応えを得たい。
O--O型ホウ素錯体では、①に関しておおよそ直線形分子であり、②についてはまだ未調査である。しかし、②においてJ会合の抑制が示唆され、励起子の失活による性能劣化を阻害する効果が期待される。このため、この系統で３種の誘導体を合成している。これらをすべて精製したのち太陽電池評価を行い、①と②の有効性を検証する。
N--O型ホウ素錯体では、①に関して完全な直線形分子であり、特にLUMOのエネルギー準位と分布にそれぞれ特徴的な差がみられた。この結果より、励起色素から酸化チタン伝導帯への電子注入効率は改善すると予想され、これまでのホウ素系色素と異なる色素設計が可能になる。一方、②については未解明であり、J会合の抑制を含めて今後調査する予定である。この系でも３種類の誘導体を開発して太陽電池評価を行う計画である。
本研究では太陽電池を作製し評価する研究協力体制が整っているため、当研究室ではホウ素錯体の材料応用について知見を深め、新規クロモフォア色素に関するブレークスルーを起こすことに専念する。
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| Causes of Carryover |
平成27年度初頭の時点で科研費が未採択であったことから、学内研究助成に応募して本課題に対する研究資金を捻出した。そして、10月末に科研費が採択されたため、今後の研究戦略を考慮して次年度へ90万円を繰り越す計画を立てた。その結果、次年度は直接経費として200万円を用意することができた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度の使用計画は、主に有機合成用試薬（120万円）と合成用・測定用器具（30万円）の購入に使用する。その他の項目として、成果発表や資料収集を目的とした国内旅費（20万円）、学内機器使用料（20万円）と学会誌投稿料（10万円）を計画している。
本課題では、研究資材を新規ホウ素錯体の開発に投入し、太陽電池色素のブレークスルーを狙う。上記の使用計画はこの目的を遂行する内容になっている。
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