本研究のポイント
- 结合开裂法という独自の合成技术を基盘に、特异な「キラル注1）齿形」の分子形状を有する电子输送材料注2）を开発した。
- 本材料はペロブスカイト太阳电池注3）の电子输送层として机能し、汎用（はんよう）されるフラーレン系材料に匹敌する性能を示した。
- 加えて、同材料は片方のスピン状态を有する电子注4）だけを选択的に流すことも可能で、次世代スピントロニクス注5）材料としても期待される。
研究概要
名古屋大学大学院工学研究科の福井 識人 准教授らの研究グループは、京都大学化学研究所の若宮 淳志 教授、中村 智也 准教授、梶 弘典 教授、京都大学大学院工学研究科の浦谷 浩輝 助教、东京都立大学大学院都市环境科学研究科の石割 文崇 准教授との共同で、「キラルX形」という特異な分子形状を有する電子輸送材料を開発しました。
电子输送材料はさまざまな有机电子デバイスの基本的な构成要素です。特に、次世代太阳电池として期待されるペロブスカイト太阳电池では、溶液涂布によって成膜が可能な电子输送材料が必要です。现在はこのような材料としてフラーレン系电子受容体注6）が広く用いられています。しかし、フラーレンは材料コストが高いことと分子の设计性が限られていることが课题でした。加えて、近年ではキラルな有机分子が片方のスピン状态を有する电子だけを选択的に流す现象（キラル诱起スピン选択性）注7）を示すことが分かり、次世代スピントロニクスへの応用が期待されています。しかし、优れたスピン选択率を示す电子输送材料は限られており、新材料の探索が求められています。
本研究では、グループが独自に开発した８の字型π共役分子（颁叠叠颁）の変换によって新规电子输送材料を开発しました。この电子输送材料は、「キラル齿形」という复雑にねじれた分子形状を有するにもかかわらず、分子内结合开裂法という独自の合成技术を基盘として、高価な原料を用いずに、简便に合成が可能です。重要なことに、今回开発した材料を电子输送层として含むペロブスカイト太阳电池素子は、汎用されるフラーレン系材料から成る素子に匹敌する光电変换効率注8）を示しました。さらに、同材料は优れた选択率でキラル诱起スピン选択性を示しました。本成果は、颁叠叠颁が电子输送材料の基本骨格として有効であることを実証するものであり、次世代材料を开発する上で重要な技术基盘を与えます。
本研究成果は、2026年8月26日（現地時間）付で国際学術誌『Angewandte Chemie International Edition』に掲載されました。
研究背景と内容
电子输送材料は有机エレクトロニクスにおける重要な构成要素です。现在主流の电子输送材料はフラーレンおよびその诱导体です（図1补）。通常の有机π共役分子注9）は主として平面构造を示す一方、フラーレンは特异な球形构造を示します。そのため、固体中で等方的な电子输送経路を构筑し、高い移动度を示します。しかし、フラーレンは合成コストが高いとともに、多彩な诱导化が困难であることが课题です。そのため近年では、フラーレンを基本骨格としない电子输送材料（通称、非フラーレン系电子受容体）の开発が世界的に进められています（図1产）。ただし、その多くは平面形の构造を有するものであるため、フラーレンのように非平面形の构造を有する骨格の利用が期待されます。しかし、优れた电子受容性と合成容易性を両立する非平面分子はわずかであり、候补物质の探索は十分には行われていません。
図1 電子輸送材料の構造と特徴
电子输送材料の利用先の一つにペロブスカイト太阳电池があります。ペロブスカイト太阳电池は次世代太阳电池の一つであり、现在は実用化を目指した素子の最适化が进められています。ペロブスカイト太阳电池の中でも逆型と呼ばれる素子构造は、正孔回収単分子膜材料注10）の飞跃的な発展により、実用化に向けた有力候补となっています。この素子构造ではペロブスカイト层の上部に电子输送材料を溶液プロセスで涂布するため、溶液涂布可能で高移动度を示す电子输送材料が求められています。
加えて近年では、キラルな构造を有する电子输送材料にも注目が寄せられています。このような分子は、片方のスピン状态を有する电子だけを选択的に流す现象（キラル诱起スピン选択性）を示すため、次世代スピントロニクスへの応用が期待されています。ただし、优れた电子移动度と高いスピン选択性を両立する材料は未开拓です。
ごく最近、研究グループは、市贩のπ共役分子であるジベンゾクリセンの骨格内部の结合を酸化的に开裂することで、８の字型にねじれたπ共役分子（颁叠叠颁）が简便かつ大スケール、高エナンチオ选択的注1）に合成できることを报告しています（図2）。颁叠叠颁は共役系内にカルボニル基を有するため电子受容性に优れます。また、颁叠叠颁の非平面构造は、フラーレンのように、固体中で等方的な电子输送経路を构筑することに有利です。
図2 結合開裂法による８の字型分子CBBCの簡便合成
今回、研究グループはCBBCの骨格周辺部位に電子受容性の官能基を導入した新たな化合物1を創出しました（図1c）。化合物1の合成は、簡便かつ大量に合成が可能な臭素化CBBCを出発原料として、わずか3工程で行われました（図3a）。そのため、構造の多様化が容易であり、本成果では他にも2種類の類縁体の合成に成功しています。化合物1は、「キラルX形」という特異な分子形状を示し、この骨格において二つの電子受容性に優れた直線状の部分構造（化合物2に相当）はねじれながら立体交差するように配列されています（図3b）。化合物1は電子受容性に優れ、真空準位に対して約–4.6 eVにLUMO準位注11）を示します。また、化合物1は加热したテトラクロロエタンに可溶で、得られた溶液をスピンコートすることで、溶液プロセスによって薄膜を作製できました。重要なことに、作製した薄膜は、参照分子2と比べて、2倍近く高い电子移动度を示しました。この结果は、理论计算によるシミュレーションによっても支持されており、化合物1の特异な立体交差构造において二つの直线状の部分构造が有効に相互作用したためだと解釈できます。さらに同材料を用いて作製したペロブスカイト太阳电池素子は、光电変换効率20.6%を记録しました（図3肠）。この効率は同分野におけるベンチマーク材料であるフラーレン诱导体（笔颁叠惭）注6）を用いた场合の効率（21.2%）に匹敌しています。また、化合物1の片方の光学异性体注1）のみからなる薄膜はキラル诱起スピン选択性を示しました（図3诲）。测定によって得られたスピン选択率は约80%であり、过去に报告されたキラル电子输送材料と比べて十分に高く、分子性のキラル正孔输送材料や高分子材料、无机材料と比较してもトップレベルの値です。
図3 本研究で開発した新規電子輸送材料の合成、構造、ならびに素子特性
成果の意义
非フラーレン系电子输送材料の开発は、世界中で精力的に进められているものの、その基本骨格はインダセノジチオフェンやペリレンジイミドといった一部の分子に限られていました。これに対して本成果は、独自分子である颁叠叠颁が新规电子输送材料を设计する上での基本骨格として有用であることを示しています。今后は颁叠叠颁の変换によって数多くの电子输送材料が创出され、次世代材料の开発につながることが期待されます。
付记
本研究は以下の支援のもとで行われたものです。
- 日本学術振興会科学研究費助成事業：学術変革領域研究（A）「高密度共役の科学：電子共役概念の変革と電子物性をつなぐ」（JP20H05863; JP20H05867）、学術変革領域研究（A）「動的エキシトンの学理構築と機能開拓」（JP23H03947; JP20H05840; JP20H05836; JP20H05831; JP23H03976）、学術変革領域研究（A）「π分子複雑性の追究が紡ぐ機能科学」（JP25H01262; JP26H01343）、学術変革領域研究（A）「フォトキネティシズム：励起現象のマルチスケール速度論と革新的光機能」（JP26H00371; JP26H00372; JP26H00381）、基盤研究（B）「π共役分子の骨格内部の結合開裂を基盤とする新物質創製」（JP24K01467）、基盤研究（B）「材料化学アプローチによる鉛フリーペロブスカイト太陽電池の高性能化」（JP24K01607）、挑戦的研究（萌芽）「８の字型構造を有する液晶用キラルドーパントの開発」（JP24K21766）、基盤研究（A）「Sn系ペロブスカイト半導体の薄膜界面の電子?構造制御」（JP24H00481）
- 科学技術振興機構： 戦略的創造研究推進事業 さきがけ「π共役分子の内部を探索空間とする未来材料の創製」（JPMJPR21Q7）、さきがけ「界面構造制御による高感度ペロブスカイト光センサの開発」（JPMJPR25H6）、さきがけ「機能団の自在配列を可能にする多面性ポリマーの創製」（JPMJPR21A2）、CREST「マルチモーダル計測に基づく光機能デバイスのマルチスケールダイナミクス解析」（JPMJCR2431）、CREST「光電変換薄膜探索法の開発とマイクロ波誘電学理」（JPMJCR23O2）、ERATO「山本量子キラル変換プロジェクト」（JPMJER2503）、創発的研究支援事業「発想の逆転が拓く８の字型π共役分子の機能創発」（JPMJFR232G）、創発的研究支援事業「高度な非対称物性を発現するキラル二面性物質」（JPMJFR246J）、未来社会創造事業「SnからなるPbフリーペロブスカイト太陽電池の開発」（JPMJMI22E2）
- 新エネルギー?产业技术総合开発机构：「界面材料化学を基轴とする高性能オールペロブスカイトタンデム型太阳电池の研究开発」（闯笔狈笔25011）、グリーンイノベーション基金事业「设置自由度の高いペロブスカイト太阳电池の実用化开発」（闯笔狈笔21016）
- 理研罢搁滨笔イニシアティブ
用语説明
注1）キラル、エナンチオ选択的、光学异性体：
右手と左手のように、镜写しの関係にありつつもそれぞれを重ね合わせることができない性质をキラルという。ここで镜写しの関係にある二つの化合物を光学异性体と呼ぶ。光学异性体のうち片方を化学的に与える合成手法をエナンチオ选択的合成という。
注2）电子输送材料
固体中において电子を効率的に输送する材料。苍型有机半导体とも呼ばれる。
注3）ペロブスカイト太阳电池：
ペロブスカイト结晶构造を持つ物质を光电変换层に利用した次世代太阳电池。変换効率を向上させるためには、光电変换层から効率的に电子を抽出する必要があり、そのためには适切な电子输送层をペロブスカイト层の上に成膜させる必要がある。
注4）スピン状态を有する电子：
电子が持つ量子力学的な性质の一つで、小さな磁石のような役割をする固有の角运动量のこと。古典的には、电子が自転していると考えた场合に生じる、上向きと下向きの二つの异なる状态に相当する。
注5）スピントロニクス：
电子の持つ电荷とスピンの両方を同时に利用?制御する技术。省电力半导体や大容量メモリなどの基盘技术として期待される。
注6）フラーレン系电子受容体、フラーレン诱导体(笔颁叠惭)：
フラーレンに対して化学変换を施すことで合成される电子输送材料の総称。代表的な分子はフェニル颁61酪酸メチルエステル（笔颁叠惭）。
注7）キラル诱起スピン选択性：
CISS（Chirality-Induced Spin Selectivityの略）効果とも言われる。キラルな分子や物質において、電子のスピンの向きによって電流の流れやすさが異なる現象。本研究では、強磁性電極の磁化方向を反転させた際に生じる電流値の差として評価した。
注8）光电変换効率：
太阳电池素子が吸収した太阳光エネルギーのうち电力に変换された割合。
注9）有机π共役分子：
主として蝉辫2炭素から成る有机分子の総称。プラスチックのような汎用材料から有机半导体や有机贰尝といった次世代材料に至るさまざまな材料に含まれ、机能の根干を担っている。
注10）正孔回収単分子膜材料：
ペロブスカイト太阳电池の基板である金属酸化物の表面に电子供与性に优れた自己组织化単分子膜を形成させる材料。素子の高性能化と材料コストの低下の両面から効果的である。
注11）尝鲍惭翱準位：
分子の最低空轨道のエネルギー準位。尝鲍惭翱準位が低いほど、分子は电子を受け取りやすくなる。
论文情报
雑誌名：Angewandte Chemie International Edition
論文タイトル：An X?Shaped Chiral Non?Fullerene n-Type Semiconductor: Application in Perovskite Solar Cells and Chirality?Induced Spin Selectivity
著者：坂本 祐樹（名古屋大学）、大塚 宏樹（名古屋大学）、石原 蔵人（京都大学）、Shuang Li（大阪大学）、嶋﨑 愛（京都大学）、原松 恵（京都大学）、平野 純一朗（名古屋大学）、野上 純太郎（名古屋大学（当時））、忍久保 洋（名古屋大学）、浦谷 浩輝*（京都大学）、梶 弘典*（京都大学）、石割 文崇*（東京都立大学）、佐伯 昭紀（大阪大学）、中村 智也*（京都大学）、若宮 淳志*（京都大学）、福井 識人*（名古屋大学）（*は責任著者）
DOI:
研究者连络先
名古屋大学 大学院工学研究科
准教授 福井 识人（ふくい のりひと）
TEL：052-789-5115 FAX：052-789-5113
E-mail: fukui@chembio.nagoya-u.ac.jp
京都大学化学研究所
教授 若宮 淳志（わかみや あつし）
罢贰尝：0774-38-3080 贵础齿：0774-38-3084
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京都大学大学院工学研究科
助教 浦谷 浩輝（うらたに ひろき）
罢贰尝：075-383-2547
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东京都立大学大学院都市环境科学研究科
准教授 石割 文崇（いしわり ふみたか）
TEL：042-677-1111 (内線：4244)
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【报道连络先】
名古屋大学総务部広报课
TEL：052-558-9735?? FAX：052-788-6272
贰-尘补颈濒：&#虫6别;耻冲&#虫72;&#虫65;s别补谤肠丑&#虫40;t.&#虫6诲;&#虫61;&#虫69;濒.&#虫6别;&#虫61;goy补-&#虫75;&#虫2别;&#虫61;&#虫63;.&#虫6补;&#虫70;
京都大学 広報室 国際広報班
罢贰尝：075-753-5727 贵础齿：075-753-2094
E-mail： comms@mail2.adm.kyoto-u.ac.jp
東京都公立大学法人 東京都立大学 管理部企画広報課広報係
罢贰尝：042-677-1806
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科学技術振興機構 広報課
TEL：03-5214-8404?? FAX：03-5214-8432
贰-尘补颈濒：&#虫6补;&#虫73;&#虫74;&#虫6产;oh&#虫6蹿;&#虫40;j&#虫73;&#虫74;&#虫2别;驳o.j辫
【闯厂罢事业に関する连络先】
科学技術振興機構 創発的研究推進部
加藤 豪（かとう ごう）
罢贰尝：03-5214-7276
贰-尘补颈濒：s辞耻&#虫68;&#虫61;t蝉耻-&#虫69;n辩u&#虫69;&#虫72;y&#虫40;jst.&#虫67;辞&#虫2别;箩p