京都大学の植村卓史准教授らの研究グループは、仏高等師範学校(ENS)の研究グループと協力し、周期性の細孔空間を構造内に有する多孔性物質を利用することで、これまで有機太陽電池の究極的な理想構造とされてきた、二種類の異なる分子が規則的かつ交互に配列した構造体を作り出すことに成功した。

 有機太陽電池は、光によって電子を放出しプラスの電荷を帯びるドナー分子と、電子を受け取りマイナスの電荷を帯びるアクセプター分子から構成されている。相互貫入型構造と呼ばれる、ドナーとアクセプターが規則的かつ交互に配列した構造体は、高効率に長寿命の電荷分離状態を作り出せるため、有機太陽電池の材料として究極的な理想構造とされる。しかし、一般的にドナーとアクセプターは無秩序に混ざり合い、その配列を精密に制御することは非常に困難だった。

 研究グループは以前から、高分子を多孔性金属錯体(MOF)の細孔空間内に拘束することで、高分子鎖の配向方向や集積数を分子レベルで精密に制御できることを見いだしていた。

 その知見を活かし、今回の研究ではドナー分子であるポリチオフェンを、アクセプター分子として知られる酸化チタンを含む MOF内で合成することで、ドナーとアクセプターが分子レベルで規則的かつ交互に配列した構造体を作り出すことに成功した。その結果、電流の担い手となる電荷の寿命は従来の約1000倍となり、非常に不安定な電荷を飛躍的に安定化させることに成功した。

 今回の成果を応用することで、有機太陽電池をはじめとする様々なエネルギー変換デバイスの高効率化につながることが期待される。

論文情報:【Nature Communications】A phase transformable ultrastable titanium-carboxylate framework for photoconduction

京都大学

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