半導体電極に担持された増感色素を用いた光エネルギー変換

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03898
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 今堀 博 京都大学, 工学研究科, 教授 (90243261)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 人工光合成 / 有機太陽電池 / ポルフィリン / 水酸化触媒 / 半導体電極 / 銅錯体

研究実績の概要

人工光合成は可視光を利用した物質変換を目指す研究であるが、現状では非常に低い性能にとどまっている。天然の光合成では、光捕集系で獲得されたエネル ギーを用いて、反応中心タンパク質で一連の電子移動反応を行い、一方水酸化触媒から電子を奪うことで高活性な酸化種を生み出し、水からの電子引き抜き、酸 素発生を可能にしている。本提案では上記の過程を人工的に模倣し、可視光物質変換機構を詳細に解明することで、人工光合成の高効率化を目指している。具体的には、可視光を捕集可能な酸化力の強い光増感分子を合成し、水酸化触媒分子と共に半導体電極上に固定化し、可視光応答型水分解セルを構築した。特に水酸化触媒分子において、触媒活性部位と半導体電極への固定化部位の間の距離を変化させることを試み、予備的ながらもその距離依存性を見出した。一方、上記の 分子を用いた人工光合成は色素増感太陽電池と共通する点が多く、色素増感太陽電池の高効率化から得られる情報は人工光合成においても有用と思われる。いずれの系においても、太陽光の効率的な利用は高性能化に必須である。そこで色素増感太陽電池において、可視光・近赤外光の効率的な捕集が原理的に可能なポルフィリンに着目した。具体的には、置換メチレン構造で縮環したプッシュ・プル型のポルフィリン色素を分子設計・合成し、現在知られている最も性能の高いポルフィリン色素GY50を上回る太陽電池性能を達成することができた。また、高い開放電圧が期待できる一連の新規な銅レドックス対を分子設計・合成し、光電変換特性との相関を解明することができた。

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

色素増感太陽電池においては、新規な分子設計で光増感色素を合成し、現在知られている最も性能の高い色素の一つであるGY50を上回る太陽電池性能を達成でき たことは大きな進展である。また、高効率化に向けて必須な新規な銅レドックス対を分子設計・合成し、光電変換特性との相関を解明することができている。一方、人工光合成に関しては、可視光水分解の機構解明に取り組むための評価系構築を進めている段階である。

今後の研究の推進方策

色素増感太陽電池においては、今回得られた基礎的知見をフィードバックさせ、さらなる太陽電池性能向上を目指す。一方、人工光合成に関しては、触媒活性部位と半導体電極への固定化部位の間の距離を系統的に変化させ、可視光水分解活性との相関解明を試みる。また、p-型半導体に光増感色素を担持した系の開発を進める。

備考

有機太陽電池に関する研究成果はプレスリリースされ、新聞、雑誌などの国内外のメディアで取り上げられた。

研究成果

• [国際共同研究] Tampere University of Technology(フィンランド)
  • 国名: フィンランド
  • 外国機関名: Tampere University of Technology
• [国際共同研究] Tongji University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Tongji University
• [国際共同研究] Karlsruhe Institute of Technology(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Karlsruhe Institute of Technology
• [雑誌論文] Effect of Ligand Structures of Copper Redox Shuttles on Photovoltaic Performance of Dye-Sensitized Solar Cells (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Higashino, H. IIyama, S. Nimura, Y. Kurumisawa, and H. Imahori
  • 雑誌名: Inorg. Chem. 巻: 59 ページ: 452-459
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b02740
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modulation of Frontier Molecular Orbitals on Dithieno[3,4-b:3’,4’-d]phosphole Derivatives by Donor-pi-Acceptor Interaction (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Higashino, K. Ishida, and H. Imahori
  • 雑誌名: Chem. Lett. 巻: 49 ページ: 272-275
  • DOI: 10.1246/cl.190879
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sustained Photodynamic Effect of Single Chirality-Enriched Single-Walled Carbon Nanotubes (2020)
  • 著者名/発表者名: R. Fukuda, T. Umeyama, M. Tsujimoto, F. Ishidate, T. Tanaka, H. Kataura, H. Imahori, and T. Murakami
  • 雑誌名: Carbon 巻: 161 ページ: 718-725
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2020.02.002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of meso-Diarylamino Group of Porphyrins on Optical and Electrochemical Properties (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Higashino, Y. Fujimori, I. Nishimura, and H. Imahori
  • 雑誌名: J. Porphyrins Phthalocyanines 巻: 24 ページ: 67-74
  • DOI: 10.1142/S1088424619500652
  • 査読あり
• [雑誌論文] Efficient Light-Harvesting, Energy Migration, and Charge Transfer by Nanographene-Based Nonfullerene Acceptor Small-Molecule Exhibiting Unusually Long Excited-State Lifetime in Film State (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Umeyama, K. Igarashi, D. Sasada, Y. Tamai, K. Ishida, T. Koganezawa, S. Ohtani, K. Tanaka, H. Ohkita, and H. Imahori
  • 雑誌名: Chem. Sci. 巻: 11 ページ: 3250-3257
  • DOI: 10.1039/C9SC06456G
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Pluripotent Features of Doubly Thiophene-Fused Benzodiphospholes as Organic Functional Materials (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Higashino, K. Ishida, T. Sakurai, S. Seki, T. Konishi, K. Kamada, K. Kamada, and H. Imahori
  • 雑誌名: Chem. Eur. J. 巻: 25 ページ: 6425-6438
  • DOI: 10.1002/chem.201900661
  • 査読あり
• [雑誌論文] Renaissance of Fused Porphyrins: Substituted Methylene-bridged Thiophene-Fused Strategy for High-Performance Dye-Sensitized Solar Cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Kurumisawa, T. Higashino, S. Nimura, Y. Tsuji, H. Iiyama, and H. Imahori
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 141 ページ: 9910-9919
  • DOI: 10.1021/jacs.9b03302
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exclusive Occurrence of Photoinduced Energy Transfer and Switching Its Direction by Rectangular π-Extension of Nanographenes (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Umeyama, T. Hanaoka, H. Yamada, Y. Namura, S. Mizuno, T. Ohara, J. Baek, J. Park, Y. Takano, K. Stranius, N. V. Tkachenko, and H. Imahori
  • 雑誌名: Chem. Sci. 巻: 10 ページ: 6642-6650
  • DOI: 10.1039/c9sc01538h
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Photoconductivity in Metal-Organic Framework (MOF) Thin Films (2019)
  • 著者名/発表者名: X. Liu, M. Kozlowska, T. Okkali, D. Wagner, T. Higashino, G. Brenner-Weis, S. Marschner, Z. Fu, Q. Zhang, H. Imahori, S. Brase, W. Wenzel, C. Woll, and L. Heinke
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 58 ページ: 9590-9595
  • DOI: 10.1002/anie.201904475
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Thiazolocatechol: Electron-withdrawing Catechol Anchoring Group for Dye-Sensitized Solar Cells (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Higashino, H. Iiyama, Y. Kurumisawa, and H. Imahori
  • 雑誌名: ChemPhysChem 巻: 20 ページ: 2689-2695
  • DOI: 10.1002/cphc.201900342
  • 査読あり
• [雑誌論文] Isomer Effects of Fullerene Derivatives on Organic Photovoltaics and Perovskite Solar Cells (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Umeyama and H. Imahori
  • 雑誌名: Acc. Chem. Res. 巻: 52 ページ: 2046-2055
  • DOI: 10.1021/acs.accounts.9b00159
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effective Role of Eco-Friendly Acetyl Tributyl Citrate in Large-Scale Catalyst-Free Synthesis of Waterborne Polyurethanes Without Volatile Organic Compounds (2019)
  • 著者名/発表者名: X.-G. Li, Y.-B. Xie, M.-R. Huang, T. Umeyama, T. Ohara and H. Imahori
  • 雑誌名: J. Clean. Prod. 巻: 237 ページ: 117543-1-16
  • DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.07.018
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spontaneous Complexation of Fullerenes on Nanodiamond Aggregates and Their Enhanced Photocurrent Generation (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Umeyama, Y. Okawada, T. Ohara, and H. Imahori
  • 雑誌名: Chem. Asian J. 巻: 14 ページ: 4042-4047
  • DOI: 10.1002/asia.201900835
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phosphole-Fused Dehydropurpurins via Titanium-Mediated [2+2+1] Cyclization Strategy (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Higashino, I. Nishimura, and H. Imahori
  • 雑誌名: Chem. Eur. J. 巻: 25 ページ: 13816-13823
  • DOI: 10.1002/chem.201903269
  • 査読あり
• [学会発表] Donor-Acceptor Interactions for Energy and Biological Applications (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Imahori
  • 学会等名: 86th Annual Meeting of the Chemical Society of Japan
  • 招待講演
• [学会発表] Model Systems and Organic Solar Cells for Solar Energy Conversion (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Imahori
  • 学会等名: Pre-ECS Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Isomer Effects of Nanocarbons in Organic Solar Cells (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Imahori
  • 学会等名: 235th Meeting of The Electrochemical Society
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Porphyrins as Excellent Sensitizers and Electron and Energy Donors (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Imahori
  • 学会等名: The First Asian Conference on Porphyrins, Phthalocyanines, and Related Materials (ACPP-1)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Model Systems and Organic Solar Cells toward Highly Efficient Solar Energy Conversion (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Imahori
  • 学会等名: The 9th East Asia Symposium on Functional Dyes and Advanced Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Donor-Acceptor Interaction for Solar Energy Conversion (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Imahori
  • 学会等名: The 1st Kyoto University -UNIST Joint Symposium on Chemistry and Materials Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Donor-Acceptor Interactions for Solar Energy Conversion (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Imahori
  • 学会等名: 2019 National Chung Hsing University-Kyoto University Symposium on Advanced Chemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Model Systems and Organic Photovoltaics (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Imahori
  • 学会等名: The 10th Asian Conference on Electrochemical Power Sources 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Model Systems for Photosynthesis and Organic Photovoltaics (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Imahori
  • 学会等名: The 18th Asian Chemcial Congress (ACC) and 20th General Assembly of the Federation of Asian Chemcial Societies (FACS)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 最近の論文から
  • URL: http://www.moleng.kyoto-u.ac.jp/~moleng_05/research_paper.html
• [備考] 新規色素設計指針を開発 －世界最高の太陽光エネルギー変換効率の実現に向けて－
  • URL: http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2019/190613_2.html
• [備考] 新しい電子受容性材料の設計指針を開発 －有機薄膜太陽電池をより高効率により簡便に－
  • URL: http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2019/200306_1.html