大象传媒

数理物質系　桑原 純平　准教授

　太阳の光エネルギーを电気エネルギーに変换するのが太阳电池です。光をすべて电気に変换できれば理想的ですが、今のところ最大変换効率は40%程度が限度で、しかもシリコンなどの无机材料で达成されています。无机材料は、劣化しにくく、数十年に渡る屋外使用に耐えることから、住宅の屋根やメガソーラーなど、大きな面积で据え置きができる场所での発电に适していますが、硬くて重いことが难点。曲面に加工して车の屋根に搭载したり、モバイル电池として気軽に持ち运ぶような用途には不向きです。

　桑原さんの研究テーマは、有机物である高分子材料（プラスチック）でできた太阳电池です。高分子材料は、軽くて、フィルムなどいろいろな形に加工できるという特徴があります。世界中で有机太阳电池の开発竞争が繰り広げられていますが、いちばんの开発目标は、いかにエネルギーの変换効率を上げるか。様々な高分子材料が探索され、近年はエネルギー変换効率14%程度を示すものも出てきました。とはいえ、无机材料にはまだまだ及びませんし、大量合成の点でも実用化には课题があります。

　この开発竞争を横目に、すでに见つかっている有望な化合物を、より効率的に合成する方法を开発しようというのが桑原さんのアプローチです。太阳电池に适した分子构造や特性は、理论计算によってある程度の予测が可能です。しかしそれを実际に合成するのはまた别の话。これらの化合物に共通な基本构造は、共役系高分子という、炭素の単结合と二重结合が交互に连なったものです。しかしそこに、求める特性を组み込んでいくと、分子构造はどんどん复雑になり、その合成には何段阶ものプロセスが必要となっていきます。副生物の生成を避け、より多くの目的物を得るには、できるだけ简単な合成法を见つける必要があります。

　炭素结合を作る简便な方法としては、2010年にノーベル赏を受赏した「クロスカップリング反応」が有名です。しかし、锡やホウ素といった金属原子を含む原料を用いるため、面倒な合成プロセスが含まれ、副生物の生成は避けられません。そこで桑原さんは、锡やホウ素を使わずに同様の反応を起こす触媒と、その触媒が十分に働く反応条件を见つけるべく研究に取り组み、ついに独自の合成方法の开発に成功しました。入手が容易な物质から目的化合物が得られ、副生物も无害で简単に分离できる优れものです。

　さらにこの方法では、従来のクロスカップリング反応より反応効率が高く、得られる高分子化合物の分子量が格段に大きくなります。高分子化合物は、基本の単位构造の连なりでできていますが、その単位构造がいくつ连なるか、また、直线状に连なるか、あるいは分岐するかによって、生成物の性质が异なります。电池材料としては、直线状のより长い高分子の方が、优れた特性を示します。また今回の方法では、副生成物が分离しやすく高い纯度の高分子が得られることからも、高品质の材料の提供が可能になりました。事実、従来の方法で合成した高分子のエネルギー変换率が0.5%程度だったのに対して、桑原さんたちが合成したものは4%という高い変换効率を示しました。分子量と纯度を向上させることで、材料が本来持っているポテンシャルが引き出されるという新たな発见は、国内外の研究者からも大きな反响を呼びました。

　有机太阳电池は、既存の无机太阳电池に置き换わるのではなく、柔软性やモバイル性が求められる别の用途での活跃が期待されています。たとえば、カバンに组み込んで出先でスマホやパソコンの充电をしたり、家の中の家电を制御する际のセンサーの电源や、非常用の电源としても有望です。多少、変换効率が低くても、小さな电力としての使い道は私たちの身近にたくさんありそうです。

　桑原さんが化学合成に目覚めたのは大学院生の顷でした。自分にしか作れない物质ができた瞬间、その楽しさにはまったと言います。筑波大に着任し、それまでの知识と経験を高分子合成に生かしたいと考え、当时、需要が高まってきた太阳电池をターゲットに设定しました。それまで太阳电池には特に兴味はありませんでしたが、いざ研究を始めてみると、きちんと合成したものは良い结果を示す、つまり自分たちの合成の「腕」や反応条件の设定の真価が问われることを実感し、それがモチベーションになりました。つくばは様々な研究机関や公司が近接していて、アイデアを交换したり、协力が得やすいというのも魅力です。高分子材料のポテンシャルを追求しつつ、自分らしい次の研究テーマも探っています。

文責：広報室 サイエンスコミュニケーター

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