JST、太陽電池を照準とした究極の電荷分離構造を持つ高分子材料の合成に成功

　自然科学研究機構（JST）は、同機構分子科学研究所の江　東林（ちゃん　どんりん）准教授らの研究グループが、電子ドナーとアクセプターを重合することにより、電荷分離を制御し光電変換を高効率にする二次元高分子材料の合成に成功したと発表した。

　光を電気に変換するためには、光励起で生じる電荷分離状態をいかに効率よくつくるかが重要だが、それには、光の照射で電子を放出するドナーと放出された電子を受けとって電極まで運ぶアクセプターの２種類の材料が必要となる。
　しかし、電荷分離状態をつくるための電子ドナーとアクセプターの混合は、一般にランダムに行われていたため、分離が起こるドナー・アクセプター界面の形成やそこで発生した電子の移動はこれまで制御することができなかった。
　また、電子ドナーとアクセプターは容易に会合し、光励起エネルギーがすぐに失活して電荷分離状態は失われてしまう問題があり、変換効率の向上は頭打ちとなっていた。この難問に対して、電子ドナーとアクセプターを空間的に独立させ、かつ電子移動が起こりうる近い距離に保つことができる分子構造が切望されていた。

　同研究グループは、二次元高分子（積層によって多孔性有機構造体を形成する）の持つ規則正しい周期構造に着目し、電子ドナーにトリフェニレン誘導体、アクセプターにベンゾチアジアゾール誘導体を用いて、縮重合反応により、二次元高分子を合成した。
　二次元高分子はドナーとアクセプターユニットを交互に連結し、規則正しい六角ナノポアの二次元シートを形成し、積層すると、電子ドナーとアクセプターが互いに真上に来るように重なる構造を形成した。
　この二次元平面内におけるドナーとアクセプターの周期的なカラム構造は、縦方向にはそろっており、空間的にも独立している。このような秩序構造を持つ二次元高分子は、電子とホールの両方を伝導することができ、それぞれ0.04と0.01 cm2V-1s-1という高い移動度を示した。　この数値は、通常のドナー・アクセプター混合系と比べ、一桁も高い値であり、また、この二次元高分子内では、電子ドナーとアクセプターは隣接しているため、電荷分離が起こる界面の面積が増大するとともに、電子移動を引き起こせる空間距離に配置されている。
　これらの条件がそろったことにより、実験的に光を照射すると、速やかに応答し、ランダムな混合の場合と比べて、１万倍という極めて大きな光電流を生み出すことが証明された。さらに、デバイス化に向けて、平らで欠陥のない二次元高分子薄膜をつくる手法も開拓した。

　同研究の成果である、電荷分離や電子移動の制御が可能な究極の構造を持つ電子ドナー・アクセプター二次元高分子を材料として用いることで、今後、次世代太陽電池をはじめとした光電変換デバイスの変換効率向上につながる新材料開発への展開が期待できる。
　同成果は、JSTの戦略的創造研究推進事業 個人型研究（さきがけ）の「太陽光と光電変換機能」研究領域における課題の一環として行われ、ドイツ化学会が発行する材料領域の学際的科学誌『Advanced Materials』に5月１１日(ドイツ時間)に掲載されている。