量子化学計算による色素増感太陽電池の開放電圧支配要因解明と配位子デザイン

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K05889
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 草間 仁 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 太陽光発電研究センター, 上級主任研究員 (70356913)
• Project Period (FY): 2016-10-21 – 2019-03-31
• Keywords: 色素増感太陽電池 / 計算化学

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は、色素増感太陽電池において理論開放電圧を得るための増感色素構造を量子化学計算から明らかにする。金属錯体増感色素は中心金属、ドナー性配位子、及びアクセプター性配位子から成り、有機増感色素はドナー部位、パイ共役系部位、及びアクセプター部位から成る。本研究課題では、配位子構造等の異なる金属錯体や有機増感色素の量子化学計算を行い、色素増感太陽電池の開放電圧に及ぼす因子を解明する（構造物性相関）。本研究課題によって開放電圧損失がない新たな増感色素構造が明らかになると期待される。
平成２８年度は、窒素酸化物系有機レドックス分子と有機増感色素との分子間相互作用に関する量子化学計算を行った。分子間相互作用エネルギーから判断すると、窒素酸化物系有機レドックス分子は酸化型有機増感色素のドナー部位よりもアクセプター部位にあるシアノ基にて相互作用しやすいことが分かった。ヨウ素分子も同様にアクセプター部位のシアノ基にて相互作用しやすいが、吸着する酸化チタン表面からの距離はヨウ素よりも窒素酸化物系有機レドックス分子の方がはるかに近いことが分かった。以上の計算結果から、窒素酸化物系有機レドックス分子では酸化チタン光電極から酸化型増感色素への逆電子移動反応が起こり易くなり、ヨウ素レドックスとの相対的な理論開放電圧よりも低い開放電圧しか得られないという色素増感太陽電池の実験結果を説明することが出来た。したがって、アクセプター部位にはシアノ基が無いことが望ましいという有機増感色素の新たな設計指針を得ることが出来た。

Current Status of Research Progress

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

Reason

従来型の有機増感色素において窒素酸化物系有機レドックスを用いる場合、アクセプター部位にあるシアノ基が開放電圧損失の原因であることを明らかにできたので、おおむね順調であると評価した。

Strategy for Future Research Activity

金属錯体色素や他のレドックス等について検討する。量子化学計算プログラムを用いて色素やレドックス分子、及びその複合体等を構造最適化する。最適構造のエネルギー、原子間距離、結合角度、分子軌道のエネルギー準位などの情報を収集する。引き続き最適構造のポピュレーション解析を行い、電子密度、双極子モーメント、結合軌道などの情報を収集する。量子化学計算から得られた物性情報と実験で得られた開放電圧の値とをデータマイニング手法にて解析する。

Causes of Carryover

使用する計算プログラムについて、当初予定していたバージョンアップのリリースが大幅に遅れ納期が年度内に間に合わなかったためである。

Expenditure Plan for Carryover Budget

平成２９年度に使用する量子化学計算プログラムのバージョンアップに使用する予定である。