成果報告書詳細
管理番号20130000000045
タイトル平成23年度成果報告書 平成23年度採択先導的産業技術創出事業11B11005c 有機薄膜太陽電池用素材の製造コスト低減と高純度化を達成する重縮合反応の開発 平成23年度中間
公開日2013/3/26
報告書年度2011 - 2011
委託先名国立大学法人筑波大学 桑原 純平
プロジェクト番号P00041
部署名技術開発推進部
和文要約まず、直接アリール化反応を利用した重縮合反応の適応範囲拡大を行った。新しい合成方法の適応範囲拡大は、材料合成への展開において必須事項である。従来は、テトラフルオロベンゼンおよびテトラメチルビチオフェンのみが C-H 結合を反応点とした重縮合のモノマーとして選択可能であった。本研究において種々の検討を行った結果、オクタフルオロビフェニル、ジノニルビチアゾール、エチレンジオキシチオフェン(EDOT)等のモノマーも利用可能となり、適応範囲が拡大された(外部発表 1 および 2 )。
次に、EDOT とジブロモフルオレン誘導体との重縮合反応をモデル反応とし、反応条件の最適化を行った。C-H 結合を効率的に反応させるためには、カルボン酸を添加することが鍵であることが知られている。そのため、添加剤となるカルボン酸の効果を調べたところ、弱酸でありかさ高い置換基を有するカルボン酸が効果的な添加剤であることを見出した。具体的には、1-アダマンタンカルボン酸の添加が反応を効率化し、Pd 触媒の量を 1 mol% まで低減することも可能になった(外部発表 3 )。一般的な重縮合における触媒量が 5 mol% 程度であることと比較して、非常に効率的な反応系を見出した。
本研究で検討を行っている直接アリール化反応による重縮合を用いて、テトラメチルビチオフェンと色素部位を導入した共役系高分子の合成を行った。触媒系の高い反応性に起因し、わずか 6 時間の反応時間で 1 万以上の分子量を有する含色素共役高分子が合成可能であった。得られた高分子は、可視領域に広い吸収と低い HOMO レベルを有することから、太陽電池の活性層の素材として期待できる。実際にフラーレンとの一般的なバルクへテロジャンクション型の素子を作成したところ、素子の最適化の前にもかかわらず、1 % 程度の変換効率を示した。素子の最適化に加えて、高分子の構造最適化、分子量のさらなる向上によって変換効率の向上が見込まれる。
英文要約To expand the application range of direct arylation polycondensation, the reactions with various monomers were investigated. The investigation enables us to chose three kinds of new monomers, such as octafluorobiphenyl, 4,4′-dinonyl-2,2′-bithiazole, and 3,4-ethylenedioxythiophene.
The detailed investigation of reaction conditions was conducted for direct arylation polycondensation of 3,4-ethylenedioxythiophene with 2,7-dibromo-9,9-dioctylfluorene in terms of a Pd precatalyst, reaction time, and a carboxylic acid additive. Based on the results, effective additives were carboxylic acids with weak acidity and steric bulkiness such as 1-adamantanecarboxylic acid enabling reduction of the amount of the Pd precatalyst to 1 mol%.
The direct arylation polycondensation reaction of tetramethylbithiophene with dye-containing monomers yielded conjugated polymers possessing high absorbance of visible light and a low HOMO energy level. The dye-containing polymer serves as materials for polymer solar cells.
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