2017 Fiscal Year Research-status Report

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

Research Project

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, エネルギー・環境領域, 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。まず、金属錯体増感色素におけるドナー性配位子の影響に関する量子化学計算を行った。種々のピリジン誘導体ドナー性配位子を比較したところ、ヨウ素レドックス種との分子間相互作用形態が大きく異なることが分かり、ヨウ素レドックスによる色素酸化体の再還元機構に影響を及ぼすことが示唆された。取り得る再還元機構の種類が多いほど高い開放電圧や短絡電流密度、光電変換効率が得られるという実験結果を説明することが出来た。したがって、ドナー性配位子の新たな設計指針に向けた知見を得た。次に、含硫黄複素環式化合物系レドックス種（ジスルフィド／チオレート）と金属錯体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。ヨウ化物イオンと同様にチオレートアニオンはドナー性配位子末端において分子間相互作用し電子供与することが分かり、含硫黄複素環式化合物系レドックスによる再還元機構を初めて明らかにした。一方ヨウ素分子とは異なり、ジスルフィド分子とは全く分子間相互作用せず、含硫黄複素環式化合物系レドックスでは光電極から色素酸化体への逆電子移動反応が起こり難いという実験結果を説明することが出来た。ドナー性配位子はレドックスの電子供与体と相互作用し易く電子受容体と相互作用し難いことが好ましいという設計指針を得た。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 開放電圧損失がない高性能色素増感太陽電池の実現に向けて、金属錯体増感色素におけるドナー性配位子の設計指針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	従来のｎ型色素増感太陽電池だけでなくｐ型色素増感太陽電池について検討する。量子化学計算プログラムを用いてｐ型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等の値とをデータマイニング手法にて解析する。
Causes of Carryover	（理由）使用している量子化学計算プログラムのバージョンアップを行ったが、当初の予定金額よりも安価であったためである。（使用計画）研究発表のため、英語論文添削に使用する予定である。