東京大学(東大)は、精密な分子合成技術によりフラーレンの籠の中にリチウムイオンを閉じ込めた「リチウムイオン内包フラーレン」の化学修飾に成功し、有機電子材料「リチウムイオン内包PCBM(有機薄膜太陽電池に用いられるフラーレン誘導体の標準材料)」を開発したことを発表した。従来の何も内包していないPCBMに比べて、今回の新規材料は、格段に高い電子捕集能を持つため、有機薄膜太陽電池の高効率化研究に役立てられると期待されるという。同成果は、同大大学院理学系研究科 光電変換化学講座(社会連携講座)の松尾豊特任教授と岡田洋史特任研究員、東北大学、リガク、イデアルスター、イデア・インターナショナルらによるもので、米国化学会誌「Organic Letters」に掲載された。

太陽電池はクリーンな自然エネルギーとして注目を集めているが、結晶系太陽電池の製造コストは依然として高く、印刷法を用いることで安価に製造できる有機薄膜太陽電池などの高効率化などが求めれている。

有機薄膜太陽電池において、サッカーボールの形をした籠状分子であるフラーレン(C₆₀) は、必須材料となっているが、C₆₀をそのまま用いただけでは発電の効率が良くなく、高いエネルギー変換効率を得るためには、フラーレンに様々な有機分子を化学合成により取り付けて(化学修飾して)得られるフラーレン誘導体を用いる必要があることから、高性能なフラーレン誘導体を開発することが、有機薄膜太陽電池の高効率化につながることとなる。

同研究チームは今回、精密な分子合成技術を駆使して、フラーレンの籠の中にリチウムイオン(Li⁺)を閉じ込めた「リチウムイオン内包フラーレン」に有機分子を取り付けることに成功し、優れた電子捕集能を持つ新たな太陽電池材料を開発した。

リチウムイオン内包フラーレンの化学修飾のデモとして有機薄膜太陽電池の標準材料として汎用的に用いられているPCBM([6,6]-Phenyl-C61-Butyric Acid Methyl Ester)と呼ばれる化合物を参照化合物とし、PCBMが持つ有機分子部分をリチウムイオン内包フラーレンに取り付け、リチウムイオン内包PCBMを化学合成した。

図1 PCBMとリチウムイオン内包PCBMおよびそれらの原料

調査の結果、リチウムイオン内包PCBMは従来の空のPCBMに比べ、高い電子捕集能を持つことが判明した。分子に電子を1つ捕集させるために通常のPCBMでは-1.18Vの電圧を印加する必要があったが、リチウムイオン内包PCBMでは-0.43Vの電圧の印加で電子を受け取ることが可能であった。これはフラーレンの籠の中に陽イオンであるリチウムイオンが存在するためであり、フラーレンはもともと電子を受け取る性質が高いが、中にリチウムイオンを含むことでその性質がさらに高まったと考えられるという。

図2 リチウムイオン内包PCBMの優れた電子捕集能。ピークが図の左側に行くほど、高い電子捕集能をもつことを示す。電位はフェロセン/フェロセニウム基準電位である

また、X線結晶構造解析により分子構造を決定することにも成功。これによりリチウムイオンは籠の中心に存在するのではなく、化学修飾により取り付けた有機分子側に寄った格好をしていることが明らかとなった。

図3 X線結晶構造解析で明らかにされたリチウムイオン内包PCBMの分子構造(紫色の球がリチウムイオン)

同研究によって得られたリチウム内包PCBMは、従来のPCBMに比べ格段に高い電子捕集能を持つことから、有機薄膜太陽電池の研究に新たな展開を与え、エネルギー変換効率の高効率化に貢献するものと期待されると研究チームはコメントしている。また、フラーレンの化学修飾は、電子材料の開発においてのみならず、生物学的な応用などでも重要な役割を果たしていることから、太陽電池への応用だけでなく、遺伝子治療などの医療面での応用も期待されるともコメントしている。