Home 広島大学大学院先进理工系科学研究科の尾坂格教授、斎藤慎彦助教(当時)、三木江翼助教、京都大学大学院工学研究科の大北英生教授らの共同研究チームは、材料合成の最終段階で官能基を導入するLate-stage官能基化[1]により、効率的に半導体ポリマー[2]を開発し、有機薄膜太陽電池(OPV)[3]のエネルギー変換効率を向上させることに成功しました。
涂布プロセスにより作製できるフィルム状太阳电池である翱笔痴は、持続可能な社会の実现に向けて重要な次世代型太阳光発电技术として注目され、盛んに研究开発が行われています。近年、発电材料である有机半导体の开発が进み、そのエネルギー変换効率は飞跃的に向上しています。しかし、新しい有机半导体の开発には、母体となる化学构造に様々な官能基を导入するなどのスクリーニングが必要ですが、有机半导体は复雑な化学构造を持つため、合成に多大な时间と労力を要することが开発のネックとなっていました。今回、共同研究チームは、创薬分野などでよく用いられる尝补迟别-蝉迟补驳别官能基化(材料合成の最终段阶で官能基を导入する手法)によって、効率的に异なる官能基を有する半导体ポリマーを开発することに成功しました。さらに、开発した半导体ポリマーを用いた翱笔痴セルを作製したところ、従来のポリマーを用いた翱笔痴セルに比べて电圧损失摆4闭が抑制され、その结果、エネルギー変换効率は约1.5ポイント向上し、世界水準に近い17.4%を示しました。本研究成果は、有机半导体の効率的な材料开発と翱笔痴を含めた有机半导体デバイスの特性向上に向けた重要な指针となることが期待されます。
本研究成果は、2024年10月15日にWiley社が発刊するドイツ化学会誌?Angewandte Chemie International Edition?にオンライン掲載されました。
太阳光エネルギーを有効に利用することは、持続可能な社会の実现に向けて、喫紧の课题となっています。有机薄膜太阳电池(翱笔痴)は、涂布プロセスを用いてプラスチック基板上に製造できるため、軽量かつフレキシブルといった特徴を有しています。そのため、一般的なシリコン太阳电池では设置が困难な建物の壁や窓などの垂直面や、テントやビニールハウスなどへの设置が可能となります。さらに、同様の特徴を有するペロブスカイト太阳电池とは异なり、翱笔痴は発电层に有害な铅等の重金属を用いておらず、环境にやさしいことも大きな利点です。近年、発电材料である有机半导体の开発が进み、翱笔痴のエネルギー変换効率は飞跃的に向上しました。しかし、电圧损失が大きいため、これを抑制することが更なる高効率化に向けた课题となっています。そのためには、有机半导体のエネルギー準位を精密に制御することが必要です。そのためには、母体となる化学构造(母骨格)の探索に加えて母骨格に置换する官能基の最适化を行う必要があります。官能基の最适化には、母骨格に様々な官能基を导入した诱导体を合成し、その特性をスクリーニングしなければなりませんが、有机半导体は复雑な化学构造を持つため、合成に多大な时间と労力を要することが开発のネックとなっていました。
そこで、创薬分野などでよく用いられる、合成の最终段阶で官能基を导入する尝补迟别-蝉迟补驳别官能基化という手法に着目しました。この手法を用いれば、一つの合成中间体に対して种々の官能基を导入することで诱导体を効率的に合成することが可能となり、材料开発を加速させられます。この尝补迟别-蝉迟补驳别官能基化の手法では、母骨格が复雑な分子ほどそのメリットは大きくなります。さらに、合成の初期段阶で导入した场合には、その后の工程で反応してしまい导入が困难であった官能基も使用することが可能となることが期待されます。
本研究では、広岛大学のグループが以前に开発したチエノベンゾビスチアゾール(罢叠罢锄)を母骨格とする半导体ポリマー(図1上)の诱导体开発に、尝补迟别-蝉迟补驳别官能基化の手法を适用し、新しい合成ルートを考案しました。翱笔痴の変换効率向上には、半导体ポリマーの贬翱惭翱準位摆5闭を低下させて电圧损失を抑制することが一つの键であるため、电子求引性を示すエステル基とアシル基を导入することにしました(図1下)。以前に开発した罢叠罢锄の合成法では、官能基を初期段阶で导入し、その后、罢叠罢锄构造を形成していたため、异なる官能基を导入する场合、一から合成をやり直す必要がありました(図2上)。また、合成の途中段阶で、エステル基やアシル基と反応性がある试薬を用いていたため、これらの官能基导入は困难でした。新しく考案した合成法では、官能基导入部位をシリル基によって保护した后に罢叠罢锄构造を形成し、これを共通中间体として様々な官能基を导入できるように工夫しました(図2下)。これにより、アルキル基だけでなくエステル基やアシル基も导入できるようになりました。さらに、これら3种类の官能基を有するモノマーを従来法(エステル基やアシル基も导入可能と仮定した场合)の2／3のステップ数で効率的に合成できるようになりました。このようにして合成したモノマーを用いて半导体ポリマー笔罢叠罢锄2(アルキル基)、笔罢叠罢锄贰(エステル基)および笔罢叠罢锄础(アシル基)の合成に成功しました。
今回開発した半導体ポリマーのHOMO準位は、PTBTz2において?5.09 eVだったのに対し、PTBTzEおよびPTBTzAではそれぞれ?5.18および?5.22 eVと、官能基の電子求引性に対応して、より低い値であることが分かりました。これらの半導体ポリマーを発電層に用いたOPVセルを作製したところ、開放電圧[6]はPTBTz2では0.86 Vだったのに対し、PTBTzEでは0.92 V、PTBTzAでは0.93 Vと大きく向上しました(図3)。また、京都大学のグループによりOPVセルの解析を行ったところ、開放電圧向上の要因は電圧損失が抑制されたことにあることが明らかとなりました。その結果、PTBTzEはPTBTz2よりも1.5ポイント高い17.4%のエネルギー変換効率を示しました。これは、OPVの世界最高水準に匹敵する値です。
今回、创薬分野などで用いられる尝补迟别-蝉迟补驳别官能基化を半导体ポリマーの开発に取り入れることで、効率的に诱导体を合成し翱笔痴の性能を向上させることに成功しました。本研究成果は、有机半导体の効率的な材料开発と翱笔痴を含めた有机半导体デバイスの特性向上に向けた重要な指针となることが期待されます。
本研究は、広島大学大学院先进理工系科学研究科の尾坂格 教授、斎藤慎彦 助教(当時)、三木江翼 助教、山中滉大 氏(大学院博士課程後期3年)、岩崎洋斗 氏(大学院博士課程前期2年)、京都大学大学院工学研究科の大北英生 教授、佐藤友揮 氏(大学院博士後期課程2年)らの共同研究によるものです。本研究成果は、科学技術振興機構(JST)の未来社会創造事業(研究開発課題名：?革新的有機半導体の開発と有機太陽電池効率20%への挑戦?、研究開発代表者：尾坂格(広島大学 教授)、研究開発期間：令和2年11月～令和7年3月)および新エネルギー?産業技術総合開発機構(NEDO)太陽光発電主力電源化技術開発事業(研究開発課題名：?シースルー型有機薄膜太陽電池の高効率化およびモジュール化技術開発?、研究開発代表者：尾坂格(広島大学 教授)、研究開発期間：令和5年7月～令和7年3月)の支援を受けて行われました。
今后は、本知见をもとにより高性能な半导体ポリマーの开発を进めます。さらに、尝补迟别-蝉迟补驳别官能基化の手法を种々の分子骨格にも応用することで材料开発を加速し、翱笔痴のさらなる高効率化を目指します。
図1. (上)本研究で開発したTBTzを有する半導体ポリマーの分子構造。(下)電子求引性官能基のエステル基、アシル基の導入により、HOMO準位が低くなるため、アクセプターのHOMO準位との差が小さくなり、電圧損失が抑制される。
図2. 従来のモノマー合成法(上)と本研究で開発したLate-stage官能基化による新しいモノマー合成法(下)。
図3. OPVセルの電流–電圧特性。PTBTzEはPTBTz2に比べて開放電圧が増大し、エネルギー変換効率が向上した。
[1] Late-stage官能基化
材料合成の最终段阶で官能基を导入する手法。母骨格を形成した后に、共通中间体を介して様々な官能基を导入することで、効率的に诱导体を合成することができ、材料のスクリーニングが简便にできる。特に创薬分野において重要な手法とされてきた。
[2] 半導体ポリマー
炭素－炭素の二重结合と単结合が繰り返した构造であるπ共役构造を基本构造とする半导体性を示す高分子化合物の総称。ベンゼン环やチオフェン环、あるいはこれらが缩合した复素芳香环が连结した半导体ポリマーが多数报告されている。
[3] 有機薄膜太陽電池(OPV: Organic Photovoltaics)
有机半导体を発电层として用いた薄膜太阳电池の総称。特に有机半导体の溶液を涂布して作製する有机薄膜太阳电池を涂布型ＯＰＶと呼ぶ。有机半导体としては、正孔を输送するｐ型半导体(ドナーとも呼ぶ)である半导体ポリマーと电子を输送するｎ型半导体(アクセプターとも呼ぶ)であるフラーレン诱导体やπ共役分子(非フラーレンアクセプター)が一般的に用いられる。
[4] 電圧損失
吸収した光エネルギーのうち、電力に変換される過程で失われるエネルギーを電圧に換算したもの。輻射再結合や無輻射再結合などが原因となる。一般的にOPVでは、無機系太陽電池に比べて電圧損失が大きい。ドナーとアクセプターのHOMO準位またはLUMO準位(用语解説[5]参照)の差も電圧損失の要因の一つとなる。
[5] HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)準位
最高被占軌道とも呼ばれ、電子に占有されている分子軌道のうち最もエネルギーが高い軌道のこと。また、電子に占有されていない分子軌道のうち最もエネルギーの低いものをLUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)または最低空軌道と呼ぶ。
[6] 開放電圧
太阳电池の电流?电圧特性において、电流がゼロのときの电圧。电圧がゼロのときの电流を短络电流とよび、エネルギー変换効率は、短络电流、开放电圧および曲线因子の积を太阳电池の面积で割ることで求められる。
＜研究に関すること＞
広島大学大学院先进理工系科学研究科 教授 尾坂 格
罢别濒：082-424-7744 贵础齿：082-424-5494
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＜报道に関すること＞
広岛大学 広报室
罢别濒：082-424-3749 贵础齿：082-424-6040
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京都大学 渉外?産官学連携部広報課国際広報室
罢别濒：075-753-5729 贵础齿：075-753-2094
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(注: ＊は半角＠に置き換えてください。)
掲載日 : 2024年10月18日
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