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2016 年度 実績報告書

有機無機CT結晶太陽電池構築への液相製膜技術開発

研究課題

研究課題/領域番号 15H03854
研究機関山形大学

研究代表者

吉田 司  山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (90273127)

研究分担者 増原 陽人  山形大学, 大学院理工学研究科, 准教授 (30375167)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード太陽電池 / 有機無機ハイブリッド / 電極触媒 / ナノ微粒子 / 電荷移動錯体
研究実績の概要

前年度見出したTCNIH-アニオンとMV2+カチオンから成る有機塩型CT錯体について、単結晶粒子の作製に成功し、単結晶X線解析よりその組成と結晶構造を明らかにした。他のイオンや溶媒分子等を含まない(TCNIH)2(MV)の組成で、単斜晶構造であり、概ねb軸に沿って(TCNIH)(TCNIH)(MV)(TCNIH)(TCNIH)...のスタック構造を取り、分子間距離が炭素のファンデルワールス半径の2倍よりも小さい緻密なパッキング構造となっていることが分かった。強いクーロン相互作用のためにDA相互作用が強まり、CT光吸収が現れると結論された。また、CTバンドの励起によって1030 nm付近に極大を持つPLを示し、CT励起子(1.2 eV)の生成が確認された。DFT計算からも、TCNIH-をドナー、MV2+をアクセプタとするCT遷移であることが明らかとなった。
新規な無機有機ハイブリッド材料として、非線形光学有機結晶として知られるDASTとp-CuSCNの電気化学的自己組織化に成功した。電解浴中DAST濃度による形態や結晶性の変化を調べ、結晶配向の変化、β型からα型への相転移、ユニークなくし形ナノハイブリッド構造の形成とその原理などを見出した。また、様々な有機色素とCuSCNの複合化を試み、カルボキシル基を有するアニオン性キサンテン色素が全く複合しないのに対して、柔らかいLewis塩基性の-NCS基を有するFLNCS色素や多くのカチオン性色素がハイブリッド薄膜を与えることが分かり、前者はHSAB則に基づくCu+への配位、後者はCu+と色素の置換がその形成原理であると結論された。
再沈法によるHB194マイクロボックス結晶の作製とその光触媒機能を明らかにした。
マイクロ波合成よるCoドープZnOナノ微粒子の合成に成功し、水の酸化に対する電極触媒機能を有することが明らかとなった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

太陽電池に用いる光吸収層の新規な候補として、多様な新規有機CT材料や無機有機ハイブリッド材料を見出す当該年度の課題に対して、前年度見出されたTCNIH-とMV2+の有機CT結晶が2:1の組成を持つ従来知られていない新規化合物であることが明らかになり、さらに様々なp-CuSCN/色素ハイブリッド薄膜の作製と形成原理の解明にも成功するなど、多くの成果を得た。さらにこれも光吸収材料の候補として検討を開始したCoドープZnOの合成についてもこれに成功し、その電極機能を調べたところ、人口光合成系の構築において極めて重要な水の酸化反応に対して電極触媒機能を見出す新展開があった。さらにCT錯体のナノ結晶化と薄膜化についても成功しており、最終年度においてデバイスを構築評価する準備も整った。

今後の研究の推進方策

(TCNIH)2(MV)有機CT結晶については、その類縁体を用いたバリエーションの拡大、結晶構造の解明を進めつつ、それらの再沈法によるナノ結晶化、薄膜化と光伝導度測定に取り組む。また、他の二分子系CT錯体についてもナノ結晶薄膜を用いたデバイスの構築評価を進め、CTC太陽電池のコンセプトを実証する。また、得られたナノ結晶についてPL測定を行い、そのエネルギー効率やPL量子収率を明らかにする。
p-CuSCN/色素ハイブリッド薄膜をZnO膜状に積層して、ダイオード素子を作製し、その太陽電池機能を評価する。PL測定や電導度測定により、キャリア発生と輸送に適した膜構造や組成を明らかにする。同時に、得られた新材料についてはそのレドックス機能やセンシング機能なども評価し、新たな応用についてもこれを模索する。
電極触媒機能が見出されたCoドープZnOについて、ガスクロマトグラフを導入し、実際の電流効率や過電圧等の評価を進め、材料合成にこれをフィードバックしつつ触媒性能の向上を狙う。

  • 研究成果

    (28件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 4件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 1件、 謝辞記載あり 4件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 11件、 招待講演 4件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] Johannes Kepler University, Linz(Austria)

    • 国名
      オーストリア
    • 外国機関名
      Johannes Kepler University, Linz
  • [国際共同研究] University of Vermont(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      University of Vermont
  • [国際共同研究] University of Giessen(Germany)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      University of Giessen
  • [雑誌論文] Electrochemical self-assembly of CuSCN-DAST hybrid thin films2017

    • 著者名/発表者名
      Yuki Tsuda, He Sun, Lina Sun, Shuji Okada, Akito Masuhara, Philipp Stadler, Niyazi Serdar Sariciftci, Matthew Schuette White, Tsukasa Yoshida
    • 雑誌名

      Monatshefte fur Chemie

      巻: 148 ページ: 845-854

    • DOI

      10.1007/s00706-017-1929-5

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Selective hybridization of organic dyes with CuSCN during its electrochemical growth2017

    • 著者名/発表者名
      Yuki Tsuda, Kyota Uda, Misaki Chiba, He Sun, Lina Sun, Matthew Schuette White, Akito Masuhara, Tsukasa Yoshida
    • 雑誌名

      Microsystem Technologies

      巻: XXX ページ: XXX

    • DOI

      10.1007/s00542-017-3394-9

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] ZnO/TiO2 core-shell photoelectrodes for dye-sensitized solar cells by screen printing and room temperature ALD2017

    • 著者名/発表者名
      He Sun, Hayato Kurotaki, Kensaku Kanomata, Fumihiko Hirose, Matthew Schuette White, Tsukasa Yoshida
    • 雑誌名

      Microsystem Technologies

      巻: XXX ページ: XXX

    • DOI

      10.1007/s00542-017-3389-6

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Organic microboxes prepared by self-assembly of a carge-transfer dye2017

    • 著者名/発表者名
      Ayaka Toba, Jun Matsui, Ken-ichi Nakayama, Tsukasa Yoshida, Cigdem Yumusak, Philipp Stadler, Markus Clark Scharber, Matthew Schuette White, Niyazi Serdar Sariciftci, Akito Masuhara
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 46 ページ: 557-559

    • DOI

      10.1246/cl.161191

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 有機エレクトロニクスが拓く未来社会ー有機太陽電池部門の概要2017

    • 著者名/発表者名
      吉田 司、笹部 久宏、東原 知哉、増原 陽人、中山 健一、河田 聡、夫 勇進、廣瀬 文彦、佐野 健志
    • 雑誌名

      工業材料

      巻: 65 ページ: 50-62

  • [学会発表] 亜鉛/ベンゼンカルボン酸MOFのマイクロ波合成と酸素還元電極機能2017

    • 著者名/発表者名
      平井 裕士,古川 光司,孫 鶴,小野 遼真,新堀 雄麻,松嶋 雄太,城石 英伸, 吉田 司
    • 学会等名
      電気化学会第84回大会
    • 発表場所
      首都大学東京
    • 年月日
      2017-03-25 – 2017-03-27
  • [学会発表] Oxygen reduction reaction as the essential process for cathodic electrodeposition of metal oxide thin films2017

    • 著者名/発表者名
      He Sun, Jingbo Zhang, Lina Sun, Akito Masuhara, Matthew White, Tsukasa, Yoshida
    • 学会等名
      電気化学会第84回大会
    • 発表場所
      首都大学東京
    • 年月日
      2017-03-25 – 2017-03-27
  • [学会発表] CuSCN-DASTハイブリッド薄膜の電気化学的自己組織化2017

    • 著者名/発表者名
      津田 勇希, 宇田 恭太, 孫 鶴, 孫 麗娜, 水口 敬, 岡田 修司, 増原 陽人, Philipp Stadler, Niyazi Serdar Sariciftci, Matthew Schuette White, 吉田 司
    • 学会等名
      電気化学会第84回大会
    • 発表場所
      首都大学東京
    • 年月日
      2017-03-25 – 2017-03-27
  • [学会発表] 1,3-ビスジシアノメチリデンインダンアニオンをドナーとする新規有機CT結晶の合成2017

    • 著者名/発表者名
      安原 大智, 松井 淳, 片桐 洋史, 増原 陽人, 中山 健一, Matthew S. White, Randal Headrick, Madalina Furis, Philipp Stadler, Markus C. Scharber, Niyazi S. Sariciftci, 吉田 司
    • 学会等名
      電気化学会第84回大会
    • 発表場所
      首都大学東京
    • 年月日
      2017-03-25 – 2017-03-27
  • [学会発表] ZnO / D35 / [Co(bpy)3]3+/2+高電圧色素増感太陽電池2017

    • 著者名/発表者名
      木村 翼, 孫 鶴, 千葉 竜大, Matthew S. White, 森 正悟, 吉田 司
    • 学会等名
      電気化学会第84回大会
    • 発表場所
      首都大学東京
    • 年月日
      2017-03-25 – 2017-03-27
  • [学会発表] 再沈法によるCH3NH3PbX3ペロブスカイト中空粒子の作製2017

    • 著者名/発表者名
      梅本 和輝, 雲林院 宏, 吉田 司, Cigdem Yumusak, Scharber Markus Clark, Stadler Philipp, White Matthew Schuette, Sariciftci Niyazi Serdar, 増原 陽人
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜
    • 年月日
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [学会発表] 電荷移動錯体ナノ結晶の作製・評価と有機太陽電池への応用2017

    • 著者名/発表者名
      武田 将貴, 北条 健太, 松井 淳, Cigdem Yumusak, Scharber Markus Clark, Stadler Philipp, White Matthew Schuette, Sariciftci Niyazi Serdar, 吉田 司, 増原 陽人
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜
    • 年月日
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [学会発表] Photoconductive properties of charge transfer crystals for organic solar cells application2016

    • 著者名/発表者名
      J Matsui, K. Nakayama, A. Masuhara, M. Mamada, M. C. Scharber, P. Stadler, C. Yumusak, M. S. White, N. S. Sariciftci, T. Yoshida
    • 学会等名
      2016 European MRS Fall Meeting
    • 発表場所
      ワルシャワ工科大学、ポーランド
    • 年月日
      2016-09-19 – 2016-09-22
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Organic CT salts of TCNIH- and MV2+ as a light absorber in CTC solar cells2016

    • 著者名/発表者名
      Tsukasa Yoshida, Taichi Yasuhara, Jun Matsui, Akito Masuhara, Ken-ichi Nakayama, Matthew Schuette White, Philipp Stadler, Markus Clark Scharber and Niyazi Serdar Sariciftci
    • 学会等名
      2016 European MRS Fall Meeting
    • 発表場所
      ワルシャワ工科大学、ポーランド
    • 年月日
      2016-09-19 – 2016-09-22
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nano-scale Turing Patterns in Electrodeposited Hybrid Thin Films2016

    • 著者名/発表者名
      Matthew White, Lina Sun, He Sun, Yuta Ogawa, Syu Uno, Yu Jiang, Michael Arnold, Bin Du, Benjamin Himberg, Tsukasa Yoshida
    • 学会等名
      2016 European MRS Fall Meeting
    • 発表場所
      ワルシャワ工科大学、ポーランド
    • 年月日
      2016-09-19 – 2016-09-22
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ZnO/D35/[Co(bpy)3]2/3 dye-sensitized solar cells with VOC > 1V2016

    • 著者名/発表者名
      He Sun, Tsubasa Kimura, Tatsuhiro Chiba, Matthew White, Shingo Mori and Tsukasa Yoshida
    • 学会等名
      2016 European MRS Fall Meeting
    • 発表場所
      ワルシャワ工科大学、ポーランド
    • 年月日
      2016-09-19 – 2016-09-22
    • 国際学会
  • [学会発表] Microwave synthesis of cobalt/zinc oxide nanoparticles2016

    • 著者名/発表者名
      Nobuyuki Nishiumi, He Sun, Philipp Stadler, Tsukasa Yoshida
    • 学会等名
      2016 European MRS Fall Meeting
    • 発表場所
      ワルシャワ工科大学、ポーランド
    • 年月日
      2016-09-19 – 2016-09-22
    • 国際学会
  • [学会発表] Hydrothermal synthesis of structure controlled ZnO nanocrystals employing benzene carboxylic acids as SDAs2016

    • 著者名/発表者名
      Yuji Hirai, He Sun, Yuta Matsushima, Tsukasa Yoshida
    • 学会等名
      2016 European MRS Fall Meeting
    • 発表場所
      ワルシャワ工科大学、ポーランド
    • 年月日
      2016-09-19 – 2016-09-22
    • 国際学会
  • [学会発表] Electrochemical self-assembly of CuSCN-DAST hybrid thin films2016

    • 著者名/発表者名
      Yuki Tsuda, He Sun, Lina Sun, Shuji Okasa, Philipp Stadler, Tsukasa Yoshida
    • 学会等名
      2016 European MRS Fall Meeting
    • 発表場所
      ワルシャワ工科大学、ポーランド
    • 年月日
      2016-09-19 – 2016-09-22
    • 国際学会
  • [学会発表] Anodic electrodeposition of metal oxie thin films for electron extraction layers of perovskite solar cells2016

    • 著者名/発表者名
      Satoru Toyoda, Akito Masuhara, Tsukasa Yoshida
    • 学会等名
      2016 European MRS Fall Meeting
    • 発表場所
      ワルシャワ工科大学、ポーランド
    • 年月日
      2016-09-19 – 2016-09-22
    • 国際学会
  • [学会発表] Single absorber organic solar cells based on intramolecular charge transfer photoabsorption2016

    • 著者名/発表者名
      K. Nakayama, T. Okura, C. Katagiri, M. Mamada, J. Matsui, A. Masuhara, M. C. Scharber, M. S. White, C. Yumusak, P. Stadler, N. S. Sariciftci, T. Yoshida
    • 学会等名
      2016 European MRS Fall Meeting
    • 発表場所
      ワルシャワ工科大学、ポーランド
    • 年月日
      2016-09-19 – 2016-09-22
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Effect of ferroelectric polymer nanocrystals in inverted organic photovoltaics2016

    • 著者名/発表者名
      Masaki Takeda, Yoshiki Aita, Jun Matsui, N. S. Sariciftci, Philipp Stadler, Markus Scharber, Matthew White, Tsukasa Yoshida, Akito Masuhara
    • 学会等名
      2016 European MRS Fall Meeting
    • 発表場所
      ワルシャワ工科大学、ポーランド
    • 年月日
      2016-09-19 – 2016-09-22
    • 国際学会
  • [学会発表] Nanocrystal growth inhibition of C60 for controlling the nanostructure in OPV2016

    • 著者名/発表者名
      Akito Masuhara, Naoko Ito, Jun Matsui, Markus Clark Scharber, Philipp Stadler, Cigdem Yumusak, Matthew Schuette White, Niyazi Serdar Sariciftci, Tsukasa. Yoshida
    • 学会等名
      2016 European MRS Fall Meeting
    • 発表場所
      ワルシャワ工科大学、ポーランド
    • 年月日
      2016-09-19 – 2016-09-22
    • 国際学会
  • [備考] 吉田研究室ホームページ

    • URL

      http://yoshidalab.yz.yamagata-u.ac.jp/index.html

  • [備考] 先端次世代エネルギーリーダーシップホームページ

    • URL

      http://angel.yz.yamagata-u.ac.jp/

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公開日: 2018-01-16   更新日: 2022-08-26  

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