2018 Fiscal Year Research-status Report
Structural Analysis on Short-Lived Triplet Pairs Generated by Singlet Fission
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17K05742
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
矢後 友暁 埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (30451735)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | シングレットフィッション / 蛍光 / 磁場効果 / 三重項対 / 交換相互作用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
太陽電池の開発においては、太陽光のもつエネルギーを有効に活用できることが重要である。既存のシリコン太陽電池においては、1100 nmの光のエネルギーは有効に活用されているが、それより短波長の光においては、光のエネルギーの一部が熱となり電気的なエネルギーに変換されずに放出されている。このようなエネルギーを有効活用できれば、太陽電池の効率の向上が期待される。
シングレットフィッション（励起子分裂）とは、一つの光励起状態（一重項）から二つの光励起状態（三重項）が生成する現象のことである。この励起子分裂を利用すると、太陽電池の効率を向上させることが可能である。励起子分裂を用いたスキームにおいては、（1）はじめに分子が短波長の光を吸収する。（2）励起子分裂が起こり、エネルギーが低い励起状態が二つ生成する。（3）励起状態のエネルギーが太陽電池の駆動に必要なエネルギーにマッチしているため、二つの励起状態エネルギーどちらもが電気エネルギーに変換される。したがって、この波長での太陽電池の変換効率は励起子分裂がない場合に比べ倍となり、太陽電池の効率化が達成される。
このような励起子分裂の最適化するためには、その機構を明らかにすることが重要である。しかし、励起子分裂を効率よく起こす材料はいまだ少なくその機構は明らかにされていない。本研究では、励起子分裂の機構を明らかにする第一歩として、励起子分裂過程において生成する二つの励起状態がカップルした状態を観測し特定することを目的とし研究を行った。磁場下での蛍光測定から有機結晶中での励起状態対の構造を特定することに成功した。平成30年度は、シングレットフィッションの逆過程であるトリプレットフュージョン（三重項励起子融合）の磁場効果の観測を行った。また、シングレットフィッションによって生じた励起三重項状態の時間分解電子スピン共鳴測定にも成功した。
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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
平成29年度は、ジフェニルヘキサトリエン（DPH）の有機結晶を用いて蛍光強度の磁場依存性を測定した。実験および理論的解析より、レベルクロス機構による磁場効果のパターンが三重項対の配向と磁場の向きに強く依存することを見出した。このことは、レベルクロスによる磁場効果の観測から交換相互作用が働く相関三重項対の構造を決定できることを意味していた。単結晶において磁場効果の磁場方向依存性を詳細に検討し、相関三重項対の構造を決定した。決定された構造は非対称であり、効率の良い励起子分裂には、非対称な分子の配置が重要であることが明らかにした。また、DPH結晶中で生成する三重項状態の時間分解電スピン共鳴測定に成功した。
しかし、シングレットフィッションを起こす結晶は限られている。そこで、シングレットフィッションの逆過程であるトリプレットフュージョン（三重項励起子融合）に着目した。トリプレットフュージョンを起こす有機結晶は多々ある。トリプレットフュージョンの機構から、シングレットフィッションの機構についての知見を得られることが期待される。
平成30年度は、アントラセンおよびジシアノアントラセン結晶において、トリプレットフュージョンに対する磁場効果を観測した。得られた磁場効果はこれまで報告されてきた磁場効果とほぼ一致した。今後これまで測定されていない高磁場領域での磁場効果、および磁場方向依存性を測定し、三重項対の構造決定を行う予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
室温では、相関三重対の寿命（サブナノ秒）が短いために時間分解電子スピン共鳴法（数十ナノ秒の時間分解能）により、相関三重項対を直接観測することは難しい。しかし、極低温では相関三重項対の解離や再結合が抑えられるために時間分解電子スピン共鳴法により三重項が対になった状態が直接観測できると期待できる。実際に、光合成反応中心や有機薄膜太陽電池の研究においては、極低温においてアニオンとカチオンが対になったイオンラジカル対の状態が時間分解電子スピン共鳴法により観測されてきた。時間分解電子スピン共鳴法により、有機結晶中で生成した相関三重項対を直接観測し、その構造を決定する。得られた構造を磁場効果測定から得られた構造と比較し検討を行う。
また、アントラセン、ジシアノアントラセン結晶を用いてトリプレットフージョンに対する磁場効果測定を高磁場領域まで行う。詳細な解析から、三重項対の交換相互作用の決定、三重項対の構造決定を行う。結晶構造の解析などから分子の配置とシングレットフィッションおよびトリプレットフュージョンの効率について系統的な研究を進める。
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