左右の手のように異なる“キラル”分子構造が、太陽電池の性能を高める鍵に！
CISS効果によるスピン選択的電荷輸送を活用した新たな戦略を提案

大阪大学大学院工学研究科の佐伯昭紀教授、石割文崇招へい准教授(現 東京都立大学 准教授)、大学院生のLi Shuangさん（博士後期課程）らの研究グループは、キラル^※1物質に特有の電子のスピンを選択的に通す「CISS効果（Chirality-Induced Spin Selectivity）^※2」を活用することで、有機太陽電池の発電効率を高める新しい分子設計指針を提案しました。

有機太陽電池^※3は、軽量・柔軟で印刷プロセスにも適した次世代エネルギーデバイスとして注目されていますが、そのさらなる高効率化と新しい設計指針の確立が求められています。研究グループは、分子構造に面外方向の非対称性とキラリティーを導入した新しい非フラーレンアクセプター（NFA）^※4分子「キラル二面性NFA」を開発しました。そして、このキラル二面性NFAを用いた太陽電池デバイスを作製し、光電変換過程においてバルクヘテロジャンクション(BHJ)^※5 内での電荷再結合が抑制され、性能が向上することを実証しました。

さらに、キラルではないドナー性ポリマーと混合したバルクヘテロジャンクションの状態でもCISS効果が発現し、ホモキラル^※６な二面性NFAを用いた際にも高い光電変換効率^※７が得られました。

本成果は、有機半導体におけるスピン選択的電荷輸送を実際のデバイス性能に結びつけた初の例であり、「キラリティーに基づく有機太陽電池性能向上の新戦略」を示すとともに、今後の「スピン太陽電池」などのスピントロニクスデバイス^※8の開発への展開も期待されます

本研究成果は、ドイツ科学誌「Angewandte Chemie International Edition」に、11月11日に公開されました。

タイトル：Chiral Bifacial Non-Fullerene Acceptors with Chirality-Induced Spin Selectivity: A Homochiral Strategy to Improve Organic Solar Cell Performance
著者名： Shuang Li, Fumitaka Ishiwari, Shaoxian Li, Yumi Yakiyama, Akinori Saeki
ＤＯＩ：https://doi.org/10.1002/anie.202518505

なお、本研究はJST 戦略的創造研究推進事業 CREST（JPMJCR23O2）、同 さきがけ（JPMJPR21A2）、日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究 A（JP24H00484）、学術変革領域研究(A)（超セラミックス, JP23H04626）、学術変革領域研究(B)（ラダーポリマー, 25H01406, JP25H01409）の支援を受けて行われました。

※1　鏡に映した像が元の像と重なり合わない（右手と左手のような関係）性質。右手系の分子と左手系の分子の関係のことを鏡像異性体（エナンチオマー）という。

※2キラルな分子や物質に、電子スピンの向きがランダムな電流を通過させると、キラルな分子や物質のスピンフィルター効果により、通過後にスピン偏極電流が得られる効果。今回の成果で、太陽電池の高性能化という新しい応用先が見つかったと言える。

※3炭素を主成分とする有機化合物（分子や高分子）を用いて光を電気に変える太陽電池のこと。軽量で柔軟性があり、印刷のような簡便なプロセスで作製できるため、次世代のクリーンエネルギーデバイスとして注目されている。

※4有機太陽電池のBHJ発電層において、電子を輸送する役割（アクセプター）を担う有機分子。従来は球状の炭素分子「フラーレン（C₆₀）」誘導体が主に用いられていたが、NFAは平面性を持つ[アクセプター]–[ドナー]–[アクセプター]（A–D–A）型構造を基本とし、分子設計の自由度が高い点が特徴である。

※5有機太陽電池の発電層に見られる、電子を与えるドナー材料と電子を受け取るアクセプター材料を微細に混合した構造

※6 鏡像異性体の片方のことだけを指す

※7 太陽電池が受け取った光エネルギーをどれだけ効率よく電気エネルギーに変換できるかを示す指標。

※8子の電荷としての性質だけでなく、スピン（電子がもつ磁石のような性質）も利用する新しい電子デバイスのこと。

本研究の詳細はこちら
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2025/20251112_1

佐伯研究室
http://www.chem.eng.osaka-u.ac.jp/~saeki/cmpc/

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