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大阪大学産業科学研究所の陣内青萌助教、家裕隆教授は、岡山大学環境生命自然科学学域の山方啓教授、神戸大学分子フォトサイエンス研究センターの小堀康博教授、黑料网大学院情报学研究科の東雅大教授らと共同で、有机半导体分子のフロンティア軌道^※2を空間的に分離させる分子設計を取り入れることで、有机半导体の励起子束縛エネルギーを低減することに成功しました。
新たに開発した有机半导体材料を使用してバルクヘテロジャンクション^※3型の有机太阳电池を作製したところ、小さな励起子束縛エネルギーを反映して従来材料よりも優れた太陽電池特性を示しました。
さらに本材料は、単一の有机半导体を発電層とする単成分型有机太阳电池材料としても機能することを見出しています。本研究成果によって、本研究分野の重要課題の一つである「励起子束縛エネルギーの低減」に効果的な分子デザイン指針の一端が明らかとなり、新駆動原理に基づく新たな光?電子デバイスの創出に繋がることが期待されます。
本研究成果は、2024年8月12日（現地時間）にドイツ化学会誌 『Angewandte Chemie International Edition』 にオンライン速報版として掲載されました。

【ポイント】

◆　有机半导体を発電層に利用した有机太阳电池で、光から電流への変換過程で妨げとなる励起子束縛エネルギー^※1を低减できる新分子设计指针を実証
◆　有机太阳电池のエネルギー変換効率の向上や、単成分の有机半导体での光電変換を実現
◆　将来的に、新駆动原理?新デバイス构造に基づいた高性能太阳电池や波长选択型透明太阳电池などの光?电子デバイスの开拓に期待

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【用语説明】

※1　励起子束缚エネルギー
クーロン力によって束縛された電子と正孔の対（励起子）を解離して、自由電荷に変換するために必要なエネルギー。有机太阳电池におけるエネルギー変換効率低下の原因の一つ。

※2　フロンティア轨道
分子に広がる电子轨道のうち、电子によって占有されている轨道のなかで最もエネルギーの高い轨道（最高被占轨道、または贬翱惭翱）と、电子によって占有されていない轨道のなかで最もエネルギーの低い轨道（最低空轨道、または尝鲍惭翱）の2つを合わせてフロンティア轨道という。

※3　バルクヘテロジャンクション
电子供与性分子（ドナー）と电子受容性分子（アクセプター）が薄膜全体でナノスケールの混合状态となっている接合构造のこと。

【论文情报】

本研究成果は、2024年8月12日（現地時間）にドイツ化学会誌 『Angewandte Chemie International Edition』 にオンライン速報版として掲載されました。
タイトル：“Nonfullerene Acceptors Bearing Spiro-Substituted Bithiophene Units in Organic Solar Cells: Tuning the Frontier Molecular Orbital Distribution to Reduce Exciton Binding Energy”
著者名：Kai Wang, Seihou Jinnai, Takumi Urakami, Hirofumi Sato, Masahiro Higashi, Sota Tsujimura, Yasuhiro Kobori, Rintaro Adachi, Akira Yamakata and Yutaka Ie
ＤＯＩ：
なお、本研究は、日本学術振興会（20H02814,20H05841, 20KK0123, 23K17947, 20K15352, 23H02064, JP20H05839, JP22H00344, JP20H05835, 24H00482, 20H05838, 24H00485）、科学技術振興機構（JPMJMI22I1, JPMJSF23B3, PMJCR20R1, JPMJCR23I6）、新エネルギー?産業技術総合開発機構（21500248-0）、三菱財団研究助成の一環として行われました。

【研究代表者】