2016 Fiscal Year Annual Research Report
Quest for Fundamental Principles in Photoinduced Charge Separation and Their Application
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25220801
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
今堀 博 京都大学, 物質－細胞統合システム拠点, 教授 (90243261)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
梅山 有和 京都大学, 工学研究科, 准教授 (30378806)
高野 勇太 京都大学, 物質－細胞統合システム拠点, 特定拠点助教 (60580115)
村上 達也 富山県立大学, 工学部, 教授 (90410737)
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| Project Period (FY) |
2013-05-31 – 2018-03-31
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| Keywords | 光電荷分離 / 有機太陽電池 / ナノカーボン / ポルフィリン / 人工光合成 / 太陽エネルギー変換 / 電子移動 / 光遺伝子工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（１）ドナー（D）であるポルフィリン（ZnP）とアクセプターであるグラフェンを堅固な一次元状でかつ共役しにくい架橋で連結し、系統的に距離を変化させることで光電荷分離状態に対するD-A相互作用の効果を検討した。その結果、光電荷分離状態は生成せず、エキシプレックス（励起錯体）のみが生成することがわかった。また、架橋を含むZnP部位はグラフェン平面に対して垂直方向に立っているのではなく、グラフェン平面に倒れた状態が安定であることもわかった。エキシプレックスの基底状態への失活速度は空間を通した距離に依存し、その減衰因子（ベータ値）は通常の電子移動系の減衰因子よりも小さくなることを初めて見出した。以上は、有機発光素子などでしばしば観測されるエキシプレックスに関して、極めて重要な基礎的知見を与えるものである。
（２）長さの揃ったポリチオフェンとフラーレンをオリゴフェニレンで連結したバルクヘテロ接合太陽電池の光電荷分離モデル系を構築した。時間分解電子スピン共鳴法で電荷分離状態の構造を解析することに成功し、構造、電子的相互作用（電子カップリング）、ホール乖離過程に関する基礎的な知見を得ることができた。これらの情報は精緻なモデル系を構築することで初めて明らかになったものであり、有機太陽電池の高効率化に向けた合理的な分子設計指針を与えるものである。
（３〕D-A連結分子の光電荷分離状態はドナーラジカルカチオン状態が強い酸化力、アクセプターラジカルアニオン状態が強い還元力を有する。そこで、ミトコンドリアに選択性を示すキャリアーを用い、D-A連結分子をがん細胞のミトコンドリアに局在化させた。光照射下に生成したアクセプターラジカルアニオンは酸素を還元して、スーパーオキシドを生成し、がん細胞を死滅させることができた。本手法により、細胞内で選択的に光により還元反応を起こし、細胞機能を制御できる可能性が示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
ポルフィリン・グラフェン間の電子的相互作用を系統的に変化させることで、エキシプレックス状態失活過程に関する電子的相互作用の効果を初めて実験的に明らかにすることに成功した。通常はD－A相互作用が強い場合のみエキシプレックスが観測されるが、適切なドナー、アクセプターを組み合わせることで長距離にわたってエキシプレックス減衰を観測し、画期的な結果に導くことができた。また、長さのそろったドナーポリマー、アクセプターを組み合わせることで、モデル系でしか得ることができない、バルクヘテロ接合太陽電池の電荷分離状態に関する基礎的な知見を明らかにすることができた。さらに人工光合成に関して、光捕集、電荷分離、水分解すべてを含んだモデル系を初めて合成し、その全過程を分光学的にすべて追跡することに成功した。すなわち、人工光合成の分子機構を明らかにするための重要な手がかりを確立した。一方、バルクヘテロ接合太陽電池において、［７０］フラーレンの異性体効果を初めて明らかにした。本知見も有機太陽電池の高効率化に向けて、材料の純度が極めて重要であることを実証した特異な例といえる。以上のように当初の計画を上回る研究成果をあげつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
光電荷分離に関して、適切な分子設計を介してD-A界面を制御し、多くの基礎的知見を明らかにできた。本研究提案は当初の予測を超える進展があり、研究範囲が広がってきている。既に、当初の目的を達成できていると考えているが、引き続き光電荷分離系の研究を展開、発展させていく。
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Research Products
(26 results)
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[Journal Article] Regioisomer Effects of [70]Fullerene Mono-adduct Acceptors in Bulk Heterojunction Polymer Solar Cells2017
Author(s)
T. Umeyama, T. Miyata, A. C. Jakowetz, S. Shibata, K. Kurotobi, T. Higashino, T. Koganezawa, M. Tsujimoto,, S. Gelinas, W. Matsuda, S. Seki, R. H. Friend, and H. Imahori
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Journal Title
Chem. Sci.
Volume: 8
Pages: 181-188
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] A New Class of Epitaxial Porphyrin Metal-Organic Framework Thin Films with Extremely High Photocarrier Generation Efficiency: Promising Mateirals for All-Solid-State Solar Cell2016
Author(s)
J. Liu, W. Zhou, J. Liu, Y. Fujimori, T. Higashino, H. Imahori, X. Jiang, J. Zhao, T. Sakurai, Y. Hattori, W. Matsuda, S. Seki, S. K. Garlapati, S. Dasgupta, E. Redel, L. Sun, and C. Woll
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Journal Title
J. Mater. Chem. A
Volume: 4
Pages: 12739-12747
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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