太陽電池の高性能化へ一歩 - 金属と分子の結合形成過程を解明

東京工業大学(東工大)は、単分子接合のI-V特性(電流-電圧特性)を精密計測して、金属電極と分子間の結合形成過程を分子レベルで解明する事に成功したと発表した。同実験で得られた界面設計指針は、有機ELや有機太陽電池などの有機デバイスの動作機構の解明、機能向上へとつながるものであるという。

同成果は、東工大理学院化学系の一色裕次大学院生(修士課程)、藤井慎太郎特任准教授、木口学教授らの研究グループによるもの。詳細は、米国化学会誌「J. Am. Chem. Soc.」(オンライン版)に掲載された。

分子を金属表面に近づけると、分子と金属の軌道が混じりあい、分子は金属表面に吸着する。この吸着過程に伴う金属と分子の界面構造および電子状態の解明は、有機ELや有機太陽電池などの有機デバイスの動作機構の解明、機能向上のために不可欠なものとなる。

しかしこれまで、金属表面上の分子吸着系についての研究は行われてきものの、金属と分子の距離を制御し、準安定状態で、その構造や電子状態を決定することは実験的に難しく、界面構造や電子状態の変化を明らかにすることは困難であった。

研究グループは今回、走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いて、ジアミノベンゼン(DAB)、ピラジン(PY)、ビピリジン(BPY)、フラーレン(C₆₀)の各分子と金属電極からなる単分子接合を作製。その後、単分子接合のI-V特性を計測することで、分子軌道のエネルギー位置を実験的に決定した。

計測の結果、金属と分子間の距離に応じ、分子軌道のエネルギー位置は変化するが、これは金属と分子の結合様式に依存することが分かった。さらに、理論計算でも金属と分子間の距離に依存した軌道エネルギーシフトを再現し、実験結果と比較することで金属と分子界面の構造を決定した。

ジアミノベンゼン(DAB)、ビピリジン(BPY)単分子接合における界面の結合様式の概念図。電極間距離が短い時には分子が斜めに吸着し、窒素のp軌道が電極金属のAuの軌道とπ結合する。この結合の大きさは電極間距離が大きくなり、分子が立ってくるに従い減少する。分子が完全に立つとp 軌道はπ結合できなくなり、σ結合のみが形成される (出所:東京工業大学Webサイト)

これらの結果により、金属と分子の結合様式に応じて、軌道のエネルギーシフトの方向、シフト量が変化する様子が明らかとなった。これは、金属と分子間の化学結合の形成過程を明らかにできたことを意味するものであるという。

研究グループは同成果に関して、「有機デバイスでは、分子軌道のエネルギー位置が界面における電子移動の速度を決める。今回、分子軌道のエネルギー位置をチューニングすることが可能であることを示した。この知見を有機デバイスに適用することで、特性を向上させることができる」と説明している。