光同調性分子組織体を用いる光電変換デバイスの構築

• 研究課題/領域番号: 13022254
• 研究種目: 特定領域研究
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 山田 淳 九州大学, 工学研究院, 教授 (30136551)
• 研究期間 (年度): 2001 – 2002
• 研究課題ステータス: 完了 (2002年度)
• 配分額: 3,600千円 (直接経費: 3,600千円); 2002年度: 1,800千円 (直接経費: 1,800千円); 2001年度: 1,800千円 (直接経費: 1,800千円)
• キーワード: 分子シンクロ / 単分子膜 / 分子組織体 / 光電変換 / 金ナノ粒子 / 光電子移動 / 人工光合成 / 表面プラズモン / 光電変換デバイス

研究概要

電気化学的傾斜構造を持つ光同調性分子ユニットを二次元、三次元空間に配列させた分子組織系を構成し、色素間のシンクロ現象によるカスケード的な電子移動の向上と電子拡散効果の発現による画期的な光電変換システムの実現を本研究の目的とする。
すなわち、電荷分離型色素を金電極や金微粒子表面に化学修飾し、光に同調した色素間のシンクロ現象による電子拡散効果や、表面プラズモン効果による光-色素シンクロ現象を利用した電荷分離状態を原理とする光電変換システムを構築する。さらに、分子シンクロ現象を活用して、光電流の方向を制御できる多機能型光電変換素子も開発する。本年度の成果を以下にまとめる。
(1)分子シンクロ現象の効果
電解分離型色素としてルテニウム錯体(D)とビオローゲン(A)を連結した色素を合成した。D:A=1:0,1:1,1:2の系や、D-A間距離、A-電極間距離の異なる系について比較検討した結果、光電変換効率は1:2>1:1>1:0の順となった。また、A-電極間は短いほど有利であるのに対し、D-A間には最適距離が存在することを明らかにした。
(2)金ナノ粒子-色素ハイブリッドシステム
金ナノ粒子とルテニウム錯体、あるいはポルフィリンとのハイブリッド光電変換素子を構築した。ポルフィリン系で数百nAに及ぶ大きな光電流を得た。また、金ナノ粒子の表面プラズモンに基づく光電流の増強効果を世界で初めて見出した。
(3)双方向性光電変換素子
カソード方向、アノード方向の光電流を発する2種類の色素を混合した単分子膜を作製した。この素子において、500nm以下と600nm以上では逆方向の光電流が発生した。波長でスイッチできる双方向性光電変換素子を創出した。

研究成果

• [文献書誌] T.Akiyama et al.: "Novel Photoelectrochemical Cell using a Self-Assembled Monolayer of a Ruthenium(II) Tris(2, 2'-bipyridine) Thiol Derivative"Japanese Journal of Applied Physics. 41. 4737-4738 (2002)
• [文献書誌] 高橋 宏信: "金ナノ粒子のレーザー誘起固定化におけるチオール保護剤の効果"分析化学. 51・9. 797-801 (2002)
• [文献書誌] S.Yamada et al.: "Fabrication of Porphyrin-Gold Nanoparticle Multistructures for Photoelectric Conversion"Extended Abstracts of 2002 International Conference on Solid State Devices and Materials. 216-217 (2002)
• [文献書誌] N.Terasaki et al.: "Structural Characterization and Photoelectrochemical Properties of the Self-Assembles Monolayers of Tris(2, 2'-bipyrisine)ruthenium(II)-Viologen Linked Compounds Formed on the Gold Surface"Langmuir. 18. 8666-8671 (2002)
• [文献書誌] 秋山 毅: "表面ゾル・ゲル法によるD-A連結型光電変換多層膜の作製"中央分析センター報告. 20. 45-49 (2002)
• [文献書誌] Y.Niidome et al.: "Deposition of Thiol-Passivated Gold Nanoparticles onto Glass Plates by Pulsed 532-nm Laser Irradiation : Effects of Thiol"Studies in Surface Science and Catalysis. vol.132. 359-362 (2001)
• [文献書誌] Y.Niidome et al.: "Laser-Induced Deposition of Gold Nanoparticles onto Glass Substrates in Cyclohexane"Nano Letters. vol.1 No.7. 365-369 (2001)
• [文献書誌] 山田淳: "自己組織化を活用した分子太陽電池"信学技報. vol.101 No.22. 37-41 (2001)
• [文献書誌] S.Yamada et al.: "Construction of Gold Nanoparticle-Ruthenium(II) Tris(2,2'-bipyridine) Self-Assembled Multistructures and Their Photocurrent Responses"Thin Solid Films. vol.393. 273-277 (2001)
• [文献書誌] S.Yamada et al.: "Facile Fabrication of Photoelectrochemical Assemblies Consisting of Gold Nanoparticles and a Tris(2,2'-bipyridine)ruthenium(II)-Viologen Linked Thiol"Langmuir. vol.17. 5714-5716 (2001)