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Development of functional organic semiconductors towards utilization of dynamic exciton and their application to organic solar cells

Planned Research

Project AreaDynamic Exciton: Emerging Science and Innovation
Project/Area Number 20H05841
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (II)
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

家 裕隆  大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (80362622)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 東野 智洋  京都大学, 工学研究科, 准教授 (90711804)
Project Period (FY) 2020-11-19 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥124,020,000 (Direct Cost: ¥95,400,000、Indirect Cost: ¥28,620,000)
Fiscal Year 2022: ¥23,010,000 (Direct Cost: ¥17,700,000、Indirect Cost: ¥5,310,000)
Fiscal Year 2021: ¥22,750,000 (Direct Cost: ¥17,500,000、Indirect Cost: ¥5,250,000)
Fiscal Year 2020: ¥32,240,000 (Direct Cost: ¥24,800,000、Indirect Cost: ¥7,440,000)
Keywords有機半導体 / 増感色素 / 有機太陽電池 / 色素増感太陽電池 / π共役分子
Outline of Research at the Start

本研究では新機軸の有機半導体材料を開発することで、有機系の太陽電池における動的エキシトンの学理を構築する。具体的には、本研究では動的エキシトンを利用した光活性層の構築に向けて、フッ素原子を導入した狭バンドギャップ型ドナー、非フラーレン型アクセプターを系統的に創出し、有機太陽電池への応用を行う。また、増感色素へのフッ素原子導入により分子振動のエネルギーを調節することで、金属酸化物/増感色素/レドックス対界面での電子移動過程の精密制御に向けた色素増感太陽電池材料開発を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では有機半導体材料を開発し、有機系の太陽電池における動的エキシトンの学理を構築することを目的としており、動的エキシトンの効果的な利用で複雑系の有機太陽電池、色素増感太陽電池の革新的素子展開を行っている。本年度は動的エキシトンに基づいた有機太陽電池材料の開発を行った。具体的には、動的エキシトンを利用した光活性層の構築に向けて、フッ素原子を導入した狭バンドギャップ型ドナー、非フラーレン型アクセプターの開発を行った。アクセプターに関しては、フッ素原子特有の排他的な凝集効果や電子受容能向上に起因する分子間相互作用を利用するため、フッ素元素を導入したキノイド構造分子を設計し、予定通りに合成することができた。このアクセプター分子とドナー性分子との混合薄膜状態において、結晶・非晶性を精密に調節できることが示唆された。そこで、より詳細な薄膜状態での解析を行うため、本領域のA02班との共同研究に着手した。また、動的エキシトンを利用した光活性層の構築に向けて、共役系部位の被覆と剛直性を併せもつユニットを用いた材料開発を行った。開発した分子の基礎物性と太陽電池特性の評価を行い、構造物性相関を明らかとした。また、色素増感太陽電池に関しても研究を行った。具体的には、金属酸化物/増感色素/レドックス対界面での電子移動過程の精密制御を実現するため、動的エキシトンに基づいた増感色素・レドックス対の設計・分子合成を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

分子設計、有機合成ともに順調に進捗しており、目的生成物が得られている。また創出した分子の評価に向けた領域内共同研究も進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

次年度以降も現状の方向性を維持して研究開発を進めていく。

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(20 results)

All 2021 2020

All Journal Article (8 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 2 results) Presentation (12 results) (of which Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Improving Intramolecular Hopping Charge Transport via Periodical Segmentation of π-Conjugation in a Molecule2021

    • Author(s)
      Y. Ie, Y. Okamoto, T. Inoue, T. Seo, T. Ohto, R. Yamada, H. Tada, Y. Aso
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 143 Pages: 599-603

    • DOI

      10.1021/jacs.0c10560

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Single-Molecule Conductance of a π-Hybridized Tripodal Anchor while Maintaining Electronic Communication2021

    • Author(s)
      T. Ohto, A. Tashiro, T. Seo, N. Kawaguchi, Y. Numai, J. Tokumoto, S. Yamaguchi, R. Yamada, H. Tada, Y. Aso, Y. Ie
    • Journal Title

      Small

      Volume: 17 Pages: 2006709-2006709

    • DOI

      10.1002/smll.202006709

    • NAID

      120006952195

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] N-type Semiconducting Polymers Based on Dicyano Naphthobisthiadiazole: High Electron Mobility with Unfavorable Backbone Twist2021

    • Author(s)
      Iguchi Keitaro、Mikie Tsubasa、Saito Masahiko、Komeyama Kimihiro、Seo Takuji、Ie Yutaka、Osaka Itaru
    • Journal Title

      Chem. Mater.

      Volume: 33 Pages: 2218-2228

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.1c00204

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Power of an Organic Electron Acceptor in Modulation of Intracellular Mitochondrial Reactive Oxygen Species: Inducing JNK- and Caspase-Dependent Apoptosis of Cancer Cells2021

    • Author(s)
      S. Mohapatra, G. Das, V. Gupta, P. Mondal, M. Nitani, Y. Ie, S. Chatterjee, Y. Aso, S. Ghosh
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 6 Pages: 7815-7828

    • DOI

      10.1021/acsomega.1c00308

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Thiophene‐Fused Naphthodiphospholes: Modulation of the Structural and Electronic Properties of Polycyclic Aromatics by Precise Fusion of Heteroles2021

    • Author(s)
      Ishida Keiichi、Higashino Tomohiro、Wada Yoshimasa、Kaji Hironori、Saeki Akinori、Imahori Hiroshi
    • Journal Title

      Chempluschem

      Volume: 86 Pages: 130-136

    • DOI

      10.1002/cplu.202000800

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The effect of a two-dimensional structure on the dielectric constant and photovoltaic characteristics2020

    • Author(s)
      K. Mishima, T. Sakai, K. Yokota, M. Taniguchi, Y. Aso, Y. Ie, K. Yamashita
    • Journal Title

      Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry

      Volume: 401 Pages: 112756-112756

    • DOI

      10.1016/j.jphotochem.2020.112756

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Correlation between the Dipole Moment of Nonfullerene Acceptors and the Active Layer Morphology of Green-Solvent-Processed P3HT-Based Organic Solar Cells2020

    • Author(s)
      S. Chatterjee, T. Ohto, H. Tada, S. Jinnai, Y. Ie
    • Journal Title

      ACS Sustain. Chem. Eng.

      Volume: 8 Pages: 19013-19022

    • DOI

      10.1021/acssuschemeng.0c07114

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Heavy Metal Effects on the Photovoltaic Properties of Metallocorroles in Dye-Sensitized Solar Cells2020

    • Author(s)
      Tomohiro Higashino, Yuma Kurumisawa, Abraham B. Alemayehu, Rune F. Einrem, Debashis Sahu, Daniel Packwood, Kosaku Kato, Akira Yamakata, Abhik Ghosh and Hiroshi Imahori
    • Journal Title

      ACS Appl. Energy Mater.

      Volume: 3 Pages: 12460-12460

    • DOI

      10.1021/acsaem.0c02427

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 置換ナフトビスチアジアゾールを含む電子受容性分子の合成と有機太陽電池アクセプターへの応用2021

    • Author(s)
      大井 彩裕美、瀬尾 卓司、陣内 青萌、家 裕隆
    • Organizer
      日本化学会第101春季年会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Development of Nonfullerene Acceptors with Spiro-substituted Fluorene Units2021

    • Author(s)
      Keisuke Nagai, Takuji Seo, Seihou Jinnai, and Yutaka Ie
    • Organizer
      日本化学会第101春季年会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] ナフトビスチアジアゾ―ルを組み込んだ縮環型拡張pi共役分子の合成と物性2021

    • Author(s)
      淺川 亮、横山 創一、家 裕隆
    • Organizer
      日本化学会第101春季年会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] ビラジカル性を制御したベンゾ縮環型キノイドオリゴチオフェンの合成と物性2021

    • Author(s)
      山本 恵太郎、家 裕隆
    • Organizer
      日本化学会第101春季年会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 精密分子設計に基づく有機太陽電池材料の開発2021

    • Author(s)
      家 裕隆
    • Organizer
      日本化学会第101春季年会
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      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] ポルフィリン色素の精密設計による分子構造と色素増感太陽電池性能の相関解明2021

    • Author(s)
      東野智洋
    • Organizer
      日本化学会第101春季年会
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      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] ポルフィリン周辺部へのヘテロール縮環構造導入による芳香族性および物性制御の実現2021

    • Author(s)
      西村 一晟、東野 智洋、今堀 博
    • Organizer
      日本化学会第101春季年会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] ヘテロール縮環構造の精密導入によるチオフェン縮環ナフトジホスホールの物性制御2021

    • Author(s)
      石田 圭一、東野 智洋、今堀 博
    • Organizer
      日本化学会第101春季年会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 有機・分子エレクトロニクスに向けた機能性π共役分子の開発2020

    • Author(s)
      家 裕隆
    • Organizer
      M&BE 6月研究会
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      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] キノイド構造の安定化に基づくキノイドオリゴチオフェンの機能化2020

    • Author(s)
      山本 恵太郎、安蘇 芳雄、家 裕隆
    • Organizer
      第69回高分子討論会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] スピロフルオレン構造を有する電子受容性チオフェン系π共役オリゴマーの合成と有機太陽電池への応用2020

    • Author(s)
      陣内 青萌、瀬尾 卓司、家 裕隆
    • Organizer
      第47回有機典型元素化学討論会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] チオフェン縮環ベンゾジホスホールの合成とその光物性2020

    • Author(s)
      石田 圭一、東野 智洋、今堀 博
    • Organizer
      光化学討論会
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      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-11-24   Modified: 2022-12-28  

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