• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2013 年度 実施状況報告書

重水素同位体効果を用いる有機薄膜太陽電池の変換効率向上

研究課題

研究課題/領域番号 25620021
研究種目

挑戦的萌芽研究

研究機関東北大学

研究代表者

山本 嘉則  東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 名誉教授 (60029519)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2015-03-31
キーワード重水素同位体効果 / 光電変換効率 / 官能基化フラーレン
研究概要

バルクヘテロ接合(BHJ)有機薄膜太陽電池はより安価で軽量、柔軟、大面積製造などの利点から研究の進展が著しく、環境にやさしい次世代太陽電池の有力の候補として期待されている。高い光電変換効率および実用化を達成するために、素材開発の一環として新しいπ電子共役系材料の開発による性能向上が大きなカギを握る。BHJ太陽電池が光により発電するためには、「ドナー」、「アクセプター」という2種の異なる材料が並んだ界面「ヘテロ接合」が必要である。ヘテロ接合の相分離構造の制御及びホールと電子の輸送経路の不確定要素などが光電変換効率に大きく影響することを念頭に置いた共役高分子(ドナー)やフラーレン誘導体(アクセプター)を中心とした新材料開発が盛んに進められている。我々は新規フラーレン誘導体アクセプター材料の開発によりBHJ太陽電池の変換効率向上を目指して研究を進んてきた。本研究では、「新しい有機合成技術の開発と有機薄膜太陽電池の原理に基づき、D化された様々な新規官能基化フラーレンの設計と合成を行い、高性能かつ安定なBHJ太陽電池の新規アクセプター材料を開発する」ことを目的とした。平成25年度では、新規D化モノ置換フラーレンアクセプターの合成とその重水素効果による光電変換効率向上に着目した。新規D化モノ置換フラーレンをアクセプター材料としてBHJ太陽電池に用いたところ、H化モノ置換フラーレンを用いたBHJ太陽電池に比べ高い光電変換効率が得られることを初めて見出した。さらに、当初の研究計画通り、コバルト触媒を用いることで、様々なフラーレンモノ環化付加体の新規合成法の開発に成功した。

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

1.我々がすでに開発したコバルト触媒を用いたモノ置換フラーレン官能基化反応に基づき、水の代わりに重水を加えると、様々なD化モノ置換フラーレンが高収率かつ高選択的に得られた。得られたD化モノ置換フラーレンをアクセプター材料としてBHJ太陽電池に用いたところ、4.16%の光電変換効率が得られた。これはH化モノ置換フラーレンアクセプターを用いた太陽電池にの2.40%比べ大きく向上した。この結果は高く評価され、アメリカ化学誌Organic Letters(2013, 15, 5674)に発表された。
2.上記したコバルト触媒反応を拡大することで、フラーレンC60と活性ジブロモ体を反応させると、様々な3ー、5-、6-、7員環モノフラーレン環化体が効率的かつ高選択的得られることを見出した。本フラーレン新規官能基化法はアメリカ化学誌Organic Letters(2013, 15, 4030)に発表された。

今後の研究の推進方策

BHJ太陽電池の高いエネルギー変換効率を達成するためには、開放電圧、短絡電流及びフィルファクタを大きくすることが必要である。ドナーのHOMOとアクセプターのLUMOの間のギャップを大きくすると高い開放電圧を得る傾向がある。従って、標準アクセプターPC61BMより高いLUMOエネルギー準位を備えたフラーレン誘導体を設計することが重要である。アクセプターとして56π電子共役系をもつICBAなどフラーレンビス環化付加体を用いた太陽電池では、その高いLUMOエネルギーにより高い開放電圧を与える。今後、平成25年度で得られた知見を基に、新しい56π電子フラーレンアクセプターの合成法の開発と重水素やフッ素原子などを導入することで更なる変換効率の向上を目指す。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2014 2013 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (5件) (うち招待講演 1件) 図書 (1件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件) (うち外国 1件)

  • [雑誌論文] Deuterium Isotope Effect on BHJ Solar Cells. Enhancement of Organic Photovoltaic Performances using Monobenzyl Substituted Deuterofullerene Acceptors2013

    • 著者名/発表者名
      Shirong Lu, Tienan Jin, Takeshi Yasuda, Weili Si, Kazuaki Oniwa, Khalid A. Alamry, Samia A. Kosa, Abdullah Mohamed Asiri, Liyuan Han, Yoshinori Yamamoto
    • 雑誌名

      Organic Letters

      巻: 15 ページ: 5674-5677

    • DOI

      10.1021/ol4026606

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Co-Catalyzed Radical Cycloaddition of [60]Fullerene with Active Dibromides: Selective Synthesis of Carbocycle-Fused Fullerene Monoadducts2013

    • 著者名/発表者名
      Shirong Lu, Weili Si, Ming Bao, Yoshinori Yamamoto, Tienan Jin
    • 雑誌名

      Organic Letters

      巻: 15 ページ: 4030-4033

    • DOI

      10.1021/ol401876n

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Functional 2-benzyl-1,2-dihydro[60]fullerenes as acceptors for organic photovoltaics: facile synthesis and high photovoltaic performances2013

    • 著者名/発表者名
      Shirong Lu, Tienan Jin, Takeshi Yasuda, Islam Ashraful, Md. Akhtaruzzaman, Liyuan Han, Khalid A. Alamry, Samia A. Kosa, Abdullah Mohamed Asiri, Yoshinori Yamamoto
    • 雑誌名

      Tetrahedron

      巻: 69 ページ: 1302-1306

    • DOI

      10.1016/j.tet.2012.11.099

    • 査読あり
  • [学会発表] Remarkable Deuterium Isotope Effect of Deuterofullerene Acceptors on Organic Photovoltaic Performances2014

    • 著者名/発表者名
      Tienan Jin, Shirong Lu, Takeshi Yasuda, Weili Si1, Kazuaki Oniwa, Liyuan Han, Naoki Asao, Yoshinori Yamamoto
    • 学会等名
      The AIMR International Symposium 2014
    • 発表場所
      Sendai, Japan
    • 年月日
      20140217-20140219
  • [学会発表] Cu-Catalyzed C-H Amination of Hydrofullerenes Leading to 1,4-Difunctionalized Fullerenes2013

    • 著者名/発表者名
      Tienan Jin, Weili Si, Shirong Lu, Naoki Asao, Yoshinori Yamamoto
    • 学会等名
      The Eighth International Symposium on Integrated Synthesis (ISIS-8)
    • 発表場所
      Nara, Japan
    • 年月日
      20131129-20131201
  • [学会発表] Cu-Catalyzed C-H Amination of Hydrofullerenes Leading to 1,4-Difunctionalized Fullerenes2013

    • 著者名/発表者名
      Weili Si, Shirong Lu, Naoki Asao, Yoshinori Yamamoto, Tienan Jin
    • 学会等名
      10th International Symposium on Carbanion Chemistry (ISCC-10)
    • 発表場所
      Kyoto, Japan
    • 年月日
      20130923-20130926
  • [学会発表] New Organic Functional Materials for Solar Cells2013

    • 著者名/発表者名
      Yoshinori Yamamoto, Tienan Jin, Asao Naoki
    • 学会等名
      246th American Chemical Society national Meeting & Exposition
    • 発表場所
      Indianapolis, USA
    • 年月日
      20130908-20130912
  • [学会発表] 遷移金属触媒を用いた官能基化フラーレンの選択的合成2013

    • 著者名/発表者名
      金鉄男
    • 学会等名
      第12回化学系薬学若手研究者セミナー
    • 発表場所
      東北大学薬学研究科,仙台
    • 年月日
      20130823-20130823
    • 招待講演
  • [図書] フラーレン誘導体・内包技術の最前線2014

    • 著者名/発表者名
      金 鉄男,山本 嘉則
    • 総ページ数
      10 (40-49)
    • 出版者
      ㈱シーエムシー出版
  • [備考] 山本研究室

    • URL

      http://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/~yamamoto/index.html

  • [産業財産権] フラーレン誘導体、フラーレン誘導体の製造方法及び太陽電池2013

    • 発明者名
      金鉄男,山本嘉則,司偉麗,五十嵐威史
    • 権利者名
      金鉄男,山本嘉則,司偉麗,五十嵐威史
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      14/036,189
    • 出願年月日
      2013-09-25
    • 外国

URL: 

公開日: 2015-05-28  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi