配位高分子の構造・キャリア・バンドギャップ制御と薄膜太陽電池への展開

• 研究課題/領域番号: 19K05513
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分34010:無機・錯体化学関連
• 研究機関: 近畿大学
• 研究代表者: 大久保 貴志 近畿大学, 理工学部, 教授 (90322677)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2019年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 配位高分子 / 有機薄膜太陽電池

研究開始時の研究の概要

本研究では有機薄膜太陽電池の高効率化を実現するために、金属錯体集合体である配位高分子を利用した新たな有機薄膜太陽電池の開発を目指す。研究代表者らはこれまで、ハロゲン化銅(I)とπ共役架橋配位子ヘキサアザトリフェニレン誘導体からなる配位高分子が、有機薄膜太陽電池のバッファ層である酸化モリブデンMoO3代替材料として利用できることを見いだしている。そこで本研究では、これら有機無機複合材料である導電性配位高分子が様々な高効率薄膜太陽電池のバッファ層として汎用的に活用できることを明らかにするとともに、配位高分子自身を活性層とした革新的な高効率な有機薄膜太陽電池の開発も目指す。

研究成果の概要

有機薄膜太陽電池は環境に優しい軽くフレキシブルな太陽電池である。この薄膜太陽電池はプラスチック基板上にロール・ツー・ロールなどの低温印刷プロセスを用いて安価に大量に製造できるため、将来的にはユビキタスな電源装置としての幅広い用途が期待されている。本研究ではこの有機薄膜太陽電池に応用可能な新たな導電性配位高分子の開発を目的に研究を行った。薄膜太陽電池の半導体材料として用いるためには、その構造とバンドギャップ、キャリア制御が重要であり、本研究ではハロゲン化銅(I)とアクセプター性のπ共役配位子を組み合わせることで実現した。更に、実際に有機薄膜太陽電池のバッファ層として有用であることを見いだした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

配位高分子はポリマー構造を有する無機・有機複合材料であり、近年ガス吸着や固体触媒など様々な用途への応用が期待され研究されている。電子材料への応用に関してはほとんど行われていないものの、金属イオンを含むポリマー構造を有する配位高分子は第三の半導体材料となりうる可能性があり、この研究分野を開拓することは重要であると考える。本研究では、金属イオンと配位子のエネルギー準位を考慮することで、合理的に半導体材料を合成できることを見いだしており、また有機薄膜太陽電池への応用も可能性あること示した。以上のことから、将来の新たな科学技術の創製に向けての第一歩となりうるものと考えている。

研究成果

• [雑誌論文] Low Voltage-Loss Organic Solar Cells Light the Way for Efficient Semitransparent Photovoltaics (2022)
  • 著者名/発表者名: Benjamin R. Luginbuhl, Seo-Jin Ko, Niva A. Ran, Huawei Hu, Shona M. Becwar, Akchheta Karki, Martin Seifrid, Takashi Okubo, Ming Wang, Harald W. Ade, Bradley F. Chmelka, Guillermo C. Bazan, G. N. Manjunatha Reddy, and Thuc-Quyen Nguyen
  • 雑誌名: Solar RRL 巻: 2022 号: 8 ページ: 2200135-2200135
  • DOI: 10.1002/solr.202200135
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Organic Thin-film Solar Cells Using Benzotrithiophene Derivatives Bearing Acceptor Units as Non-Fullerene Acceptors (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto, Kouichi ; Yamashita, Kazuhiro; Sakoda, Yuuki; Ezoe, Hinata; Tanaka, Yuki; Okazaki, Tatsuya; Ohkita, Misaki; Tanaka, Senku; Aoki, Yuki; Kiriya, Daisuke; Kashimura, Shigenori; Maekawa, Masahiko; Kuroda-Sowa, Takayoshi; Okubo, Takashi
  • 雑誌名: European Journal of Organic Chemistry 巻: 33 号: 33 ページ: 4620-4629
  • DOI: 10.1002/ejoc.202100178
  • 査読あり
• [雑誌論文] 配位高分子の構造・電子状態・物性制御と薄膜太陽電池への展開 (2020)
  • 著者名/発表者名: 大久保貴志
  • 雑誌名: ファインケミカル 巻: 49 ページ: 30-38
• [雑誌論文] Self-assembly of Cu(I) metallomacrocycle and coordination polymers with 2,2′:5′,4″-terpyridine directed by anions and solvents (2019)
  • 著者名/発表者名: Maekawa Masahiko、Hayashi Terumasa、Sugimoto Kunihisa、Okubo Takashi、Kuroda-Sowa Takayoshi
  • 雑誌名: Inorganica Chimica Acta 巻: 497 ページ: 119088-119088
  • DOI: 10.1016/j.ica.2019.119088
  • 査読あり
• [学会発表] チオフェン縮環型フルオレン誘導体の発光特性とデバイスへの応用検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中川 雄太、江副 日菜多、山口 仁宏、大久保 貴志
  • 学会等名: 日本化学会第102春季年会 (2022)
• [学会発表] 発光性配位高分子の薄膜化および有機薄膜太陽電池への応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中野 蒼太、西山 智貴、田中 啓裕、射場 日有人、前川 雅彦、黒田 孝義、大久保 貴志
  • 学会等名: 日本化学会第102春季年会 (2022)
• [学会発表] 有機薄膜太陽電池のn型半導体への応用を指向したベンゾチアジノフェノチアジン誘導体の合成と特製評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 本塩 駿、西山 智貴、江副 日菜多、田中 悠希、黒田 孝義、前川 雅彦、大久保 貴志
  • 学会等名: 日本化学会第102春季年会 (2022)
• [学会発表] ポルフィリン金属錯体の合成と三元系有機薄膜太陽電池への応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中悠希、西山智貴、前川雅彦、黒田孝義、大久保貴志
  • 学会等名: 錯体化学会第71回討論会
• [学会発表] 金属錯体を添加剤とした有機薄膜太陽電池の作製と評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中 悠希・西山 智貴・前川 雅彦・黒田 孝義・大久保 貴志
  • 学会等名: 第11回CSJ化学フェスタ2021
• [学会発表] Crystal Structures, Physical Properties and Device Applications of Semiconducting Soft Crystals Containing Copper Halides (2021)
  • 著者名/発表者名: Takashi Okubo, Misaki Ohkita, Hinata Ezoe, Tomoki Nishiyama, Nobutaka Yoshimura, Sae Kondo, Masahiko Maekawa, Takayoshi Kuroda-Sowa, Atsushi Kobayashi, Masako Kato
  • 学会等名: The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem)
• [学会発表] ベンゾトリチオフェン誘導体を用いた三元ブレンド有機薄膜太陽電池の作製と評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中 悠希、山下 和大、江副 日菜多、前川 雅彦、黒田 孝義、松本 浩一、大久保 貴志
  • 学会等名: 日本化学会 第101春期年会（2021）
• [学会発表] ジチオ安息香酸誘導体を配位子としたCu(I)-Ni(II)ヘテロ金属配位高分子の合成及び物性評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西山 智貴・壬生 託人・大久保 貴志・前川 雅彦・黒田 孝義・末永 勇作
  • 学会等名: 第10回 CSJ化学フェスタ2020
• [学会発表] 非フラーレンアクセプターを用いた半透明有機薄膜太陽電池の作製および素子特性評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 江副 日菜多・田中 仙君・大久保 貴志・前川 雅彦・黒田 孝義
  • 学会等名: 第10回 CSJ化学フェスタ2020
• [学会発表] ハロゲン化銅(I)とキノリン誘導体からなる配位高分子の物性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大北 光咲、大久保 貴志、前川 雅彦、黒田 孝義
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋期学術講演会
• [学会発表] ベンゾチアジノフェノチアジン誘導体を用いた有機薄膜トランジスタの作製及び特性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 福田 三四郎、大久保 貴志、前川 雅彦、黒田 孝義
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋期学術講演会
• [学会発表] ドナー・アクセプター型小分子を含む3元ブレンド有機薄膜太陽電池の作製 (2019)
  • 著者名/発表者名: 玄野 航、中川 雄太、近藤 里奈、大久保 貴志、前川 雅彦、黒田 孝義、山口 仁宏
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋期学術講演会
• [学会発表] ハロゲン化銅(I)とキノリン誘導体からなる新規配位高分子の合成および物性制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大北 光咲, 大久保 貴志, 前川 雅彦, 黒田 孝義
  • 学会等名: 錯体化学会第69回討論会
• [学会発表] HATNA誘導体を配位子とした多核Ag錯体の合成及び物性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西山 智貴, 大久保 貴志, 前川 雅彦, 黒田 孝義
  • 学会等名: 錯体化学会第69回討論会
• [学会発表] アクリジン誘導体を配位子としたヨウ素架橋Cu(I)二核錯体の合成及び物性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 福田 三四郎, 藤原 綾, 大北 光咲, 大久保 貴志, 前川 雅彦, 黒田 孝義
  • 学会等名: 錯体化学会第69回討論会
• [学会発表] ジチオカルバミン酸銅錯体をもちいた多孔性配位高分子の合成と二次電池への応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 服部 花保, 清水 剛志, 吉川 浩史, 大久保 貴志, 前川 雅彦, 黒田 孝義
  • 学会等名: 錯体化学会第69回討論会
• [学会発表] Studies on Electrical Conductivity and Thermal Diffusivity of Coordination Polymers Including Copper Halides (2019)
  • 著者名/発表者名: Takashi Okubo, Masahiro Moritake, Meguya Ryu, Kaho Hattori, Misaki Ohkita, Sanshiro Fukuda, Masahiko Maekawa, Takayoshi Kuroda-Sowa and Junko Morikawa
  • 学会等名: 7th Asian Conference on Coordination Chemistry
  • 国際学会
• [学会発表] Physical Properties of Coordination Polymers Consisting of Copper(I) Halides and Quinoline Derivatives (2019)
  • 著者名/発表者名: Misaki Ohkita, Takashi Okubo, Masahiko Maekawa, Takayoshi Kuroda-Sowa
  • 学会等名: 7th Asian Conference on Coordination Chemistry
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication and Characterization of Single Crystal Transistors Using a Ferroelectric Coordination Polymer (2019)
  • 著者名/発表者名: Sanshiro Fukuda, Kaho Hattori, Takashi Okubo, Masahiko Maekawa, Takayoshi Kuroda-Sowa
  • 学会等名: 7th Asian Conference on Coordination Chemistry
  • 国際学会