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~

2025-11-12 大阪大学,科学技術振興機構

大阪大学の研究グループは、有機太陽電池の効率を飛躍的に高める新分子設計戦略を発表した。具体的には、鏡像関係にある「キラル」構造を持つ非フラーレンアクセプター(NFA)を開発し、電子スピンの選択的通過を促す「CISS(Chirality-Induced Spin Selectivity)効果」を活用した。従来の非対称NFAに加え、縦横方向に非対称性を持つ「キラル二面性NFA」を設計し、有機太陽電池デバイスで電荷再結合が抑制されることを実証。効率が従来比で向上し、さらに今後は「スピン太陽電池」やスピントロニクス応用にもつながる新展開を示した。研究はAngewandte Chemie International Editionに2025年11月11日付で掲載された。
キラル物質を介したスピン制御を太陽電池に応用した初の実証例であり、レアメタルに頼らない柔軟・軽量な次世代エネルギーデバイス開発へ大きな一歩を示す成果である。

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~
図 1 本研究の概要:CISS を示すキラル二面性非フラーレンアクセプターの合成と太陽電池への応用

<関連情報>

キラリティー誘起スピン選択性を有するキラル両面非フラーレンアクセプター:有機太陽電池の性能を向上させるホモキラル戦略 Chiral Bifacial Non-Fullerene Acceptors with Chirality-Induced Spin Selectivity: A Homochiral Strategy to Improve Organic Solar Cell Performance

Shuang Li, Prof. Dr. Fumitaka Ishiwari, Dr. Shaoxian Li, Prof. Dr. Yumi Yakiyama, Prof. Dr. Akinori Saeki
Angewandte Chemie International Edition  Published: 10 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/anie.202518505

Abstract

Asymmetric design has emerged as an effective strategy to enhance the performance of non-fullerene acceptors (NFAs) in organic solar cells (OSCs). Although most asymmetric NFAs focus on lateral (i.e., left–right) asymmetry, out-of-plane anisotropy has remained underexplored, despite its ability to induce both a vertical dipole moment and molecular chirality, thereby potentially enabling functionalities such as chirality-induced spin selectivity (CISS). With this perspective, we develop chiral and bifacial NFAs, (S,S)-IE4F, and (R,R)-IE4F, featuring an indacenodithiophene (IDT) core bearing a hydrophilic oligo(ethylene glycol) group and a hydrophobic phenyl group on the bridging sp3-carbons. Their racemic counterpart (rac-IE4F) and a non-bifacial achiral isomer (meso-IE4F) are also synthesized as the controls. Compared to meso-IE4F, the bifacial isomers exhibit higher solubility, more favorable molecular packing for carrier transport, and larger dipole moments. Notably, neat (S,S)/(R,R)-IE4Fs and their bulk heterojunctions with PBDB-T exhibit pronounced CISS effect, with spin polarizations of ∼70% and ∼50%, respectively. Consequently, OSCs based on homochiral bifacial IE4Fs achieve a power conversion efficiency of 8.17%, three times higher than that of meso-IE4F. This study highlights the impact of isomerization in NFAs and provides a new molecular design strategy for homochiral asymmetric NFAs.

1700応用理学一般
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