| 研究領域 | 動的エキシトンの学理構築と機能開拓 |
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| 研究課題/領域番号 |
23H03942
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| 研究種目 |
学術変革領域研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
学術変革領域研究区分(Ⅱ)
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
田村 宏之 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任准教授 (60390655)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円)
2024年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2023年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
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| キーワード | エキシトン / 太陽電池 / 量子化学 / 量子ダイナミックス / 励起子 / 電荷分離 / 有機系太陽電池 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
有機太陽電池のドナー/アクセプター界面での励起子の電荷分離や、分子集合体中の励起子の分裂(シングレット・フィッション)や融合(アップコンバージョン)は、励起子やスピンのダイナミックスと核の運動が協奏して起こる。本研究では、マーカス理論やフェルスター理論のような既成の描像では記述できない励起子の動的側面に着目して、非断熱量子ダイナミックス計算による理論研究を行う。特に、光エネルギー変換系の効率を支配する励起子の電荷分離、分裂・融合、及び緩和過程の基礎機構を解明する。これにより光エネルギー変換を司る動的エキシトンの学理を構築するとともに効率向上のための材料設計指針を明らかにする。
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| 研究実績の概要 |
有機薄膜太陽電池の効率向上のために、ドナー/アクセプター界面で最小限のバンドオフセットで励起子が静電障壁を超えて電子と正孔へ電荷分離する機構を理解することが必要不可欠である。高効率なアクセプターとしてY6系が開発されているが、分子構造が光電変換機構に与える作用機序は未解明である。Y6はフラーレンと異なり分子内分極を持つため、その静電相互作用が電子/正孔解離のポテンシャルに影響する可能性がある。
本研究では、ドナー分子（PM6）とY6の界面における電子/正孔解離ポテンシャルをQM/MM計算で理論解析し、構造の乱れた界面より結晶性の高いバルク部でLUMOレベルが分子の極性によって安定化される効果を明らかにした。また、電子-正孔間ポテンシャルと分子間の電荷移動積分を考慮して多分子に非局在した電子状態を解析し、界面のポテンシャルカスケードが電子-正孔の平均距離を広げる効果が見られた。以上の量子化学的解析に基づいてモデルハミルトニアンを決定し、以前のポリマー/フラーレン界面の電荷分離の解析と同様に、量子ダイナミックス計算によってPM6/Y6界面での励起子の電荷分離を解析した。電荷の非局在やポテンシャルカスケードが電子-正孔解離障壁を下げることで、比較的小さいバンドオフセット(<0.1 eV)でもサブピコ秒の効率的な電荷分離が起こり得ることが示唆された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
有機薄膜太陽電池の効率向上のために、ドナー/アクセプター界面で最小限のバンドオフセットで励起子が静電障壁を超えて電子と正孔へ電荷分離する機構を理解することが必要不可欠である。高効率なアクセプターとしてY6系が開発されているが、分子構造が光電変換機構に与える作用機序は未解明である。本研究では、非フラーレン有機薄膜太陽電池の励起子電荷分離機構の理論研究に取り組み、エネルギー変換効率に関わる重要な学理を見出している。このため、本学術変革領域の目的である動的エキシトンの新しい学理の構築に貢献しており、現在は論文発表の準備を進めている。このため、おおむね順調に進展していると考える。
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| 今後の研究の推進方策 |
前年度に引き続き、有機薄膜太陽電池の光電変換機構の理論研究を進める。また、学術変革「動的エキシトン」における共同研究に取り組む。非フラーレン有機薄膜太陽電池の高効率な電子アクセプター分子であるY6系について励起子の電荷分離機構の解析を進め、論文として発表する。
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