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

<plone.namedfile.file.NamedBlobImage object at 0x7fed5d694350 oid 0x725b60 in <Connection at 7fee02bc1a60>>

2025-11-12

engineering

{'items': [{'key': '8msco', 'term': 'キラル', 'description': {'blocks': [{'key': '4uucd', 'text': '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。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}, {'key': '25jbq', 'text': '特に、異なる置換基が４つ結合した炭素原子はキラルになり、化学式などではアスタリスクをつけて表され、国際純正・応用化学連合（IUPAC）の右回転の置換基の配列の分子をR体、左回転のものをS体と呼ぶ。鏡像関係の異性体が存在する性質のことをキラルというため、キラルという形容詞だけでは鏡像異性体の片方のことだけ（「ホモキラル体」）を指しているのか、鏡像異性体の等量混合物である「ラセミ体」を指しているのかの判別ができないが、この記事内ではキラルという形容詞でホモキラル体を指していることとする。歴史的に、旋光性を示すかどうかがホモキラルかどうかを示す指標であったため、ホモキラル体が偏って存在している場合、光学活性と呼ばれ、ラセミ体のような鏡像異性体の等量混合物は光学不活性と呼ばれる。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}, {'key': '713mr', 'text': '本研究で用いたPBDB-Tは側鎖に2-エチルヘキシル基（EH基）を有し、これは不斉炭素原子を含むため、PBDB-Tはキラルな物質であるが、EH基は全体でラセミ体であり、光学不活性となっている。その観点では、今回合成したIE4FにもEH基が含まれるため、meso-IE4Fも実際はキラルな異性体を含むが、(R,R)-IE4FはEH基は全体でラセミ体であるものを用いているので、光学不活性である。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': '4eabs', 'term': 'CISS効果', 'description': {'blocks': [{'key': '1njj0', 'text': 'Chirality-Induced Spin Selectivity。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。この効果の応用先として、スピントロニクス素子への応用の他に、酸素発生や酸素還元など、様々検討されている。今回の成果では、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。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': '7111a', 'term': '有機太陽電池', 'description': {'blocks': [{'key': 'bbocd', 'text': '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。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}, {'key': '9gv6n', 'text': '太陽光を受けて発電する「発電層」には、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「バルクヘテロジャンクション（BHJ）」構造が用いられる。このBHJ層内で光によって生じた電子と正孔が効率よく分離・移動することが、高い光電変換効率に向けた鍵となる。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': '1f1rs', 'term': '非フラーレンアクセプター（NFA）', 'description': {'blocks': [{'key': 'd94qq', 'text': '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。この構造により、光吸収範囲の拡大、分子配列の制御、そしてドナー材料とのエネルギー準位整合の最適化が容易になり、有機太陽電池の高効率化を実現してきた。近年では、分子を左右非対称に設計して分子内に電気双極子（ダイポール）を導入することで、電荷の分離や輸送をより効率的にする「非対称NFA」の研究も進んでいる。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': 'bf4ig', 'term': '電荷再結合', 'description': {'blocks': [{'key': '2nnlb', 'text': '有機太陽電池の発電層では、光を吸収すると電子と正孔（正の電荷）が対になって生成される。これらが電極まで移動して分離されることで電流が生じるが、途中で電子と正孔が再び結合してしまう現象を「電荷再結合」と呼ぶ。電荷再結合が起こると、発電に寄与しない電荷が失われるため、光電変換効率の低下につながる。特に有機太陽電池では、分子構造や薄膜の分子配列に依存して再結合が起こりやすくなるため、これを抑制することが高効率化の鍵となる。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': '4tr43', 'term': '光電変換効率', 'description': {'blocks': [{'key': 'eh2si', 'text': '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。 入射した光のエネルギーに対して取り出せる電力の割合を百分率（%）で表し、太陽電池の性能を評価する最も基本的な指標の一つである。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': 'csrfp', 'term': 'スピントロニクスデバイス', 'description': {'blocks': [{'key': '1l864', 'text': '電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。スピン太陽電池はその応用の一つで、光照射による発電過程でスピンの向きがそろったスピン偏極電流を発生させることを目指す太陽電池である。これまでのスピン太陽電池では、発電層に磁性体を用いてスピンの向きを制御していたが、キラル分子を用いることで磁性体を使わずにスピン選択性を実現する新しいアプローチが可能になると考えられる。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': '4g72g', 'term': 'スピン偏極電流', 'description': {'blocks': [{'key': '2dr4', 'text': '電子スピンの向きが一方向にそろった電流のこと。電子スピン自体はキラルではないが、それに電流の方向という要素が加わったスピン偏極電流においては、電子スピンが逆方向を向いたスピン偏極電流同士はキラルであるとみなすことができる。キラルな物質に対しては、スピンの向きが反対のスピン偏極電流は異なる挙動（伝導度など）を原理的には示し得る、というのがCISS効果。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}, {'key': 'etn9a', 'text': 'スピン偏極電流の偏りの度合いはスピン偏極率で表され、スピン偏極率 = (上向スピン偏極電流値 ― 下向きスピン偏極電流値)÷(上向スピン偏極電流値+下向きスピン偏極電流値) で表される。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': '9angs', 'term': 'スピンコート', 'description': {'blocks': [{'key': '8n6bh', 'text': '物質を水や有機溶媒に溶解させ、その溶液を回転する基板の上に垂らすことで均一な膜を成膜する手法。高真空が必要な蒸着などとは異なり、大気圧下で簡便に一定内の面積に成膜できる。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': '3d2no', 'term': 'スピン禁制', 'description': {'blocks': [{'key': '2skgf', 'text': '電子と正孔は「スピン」と呼ばれる磁気的な性質（上向き↑・下向き↓）を持っている。電子と正孔のスピンの向きが同じ平行スピン（↑↑または↓↓）の場合、スピン保存則により“スピン禁制”となり、再結合が起こりにくくなる。一方、スピンの向きが反対の反平行スピン（↑↓）の場合は、 “スピン許容”となり、容易に再結合が起こる。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}, {'key': '2rfii', 'text': 'CISS効果により特定のスピン向きを持つ電荷が優先的に輸送されると、電子と正孔のスピンが一致しやすくなり、結果としてスピン禁制状態が増えて再結合が抑制されると考えられる。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}, {'key': 'b8n3m', 'term': '光電流量（Jsc）の照射光量（Plight）の依存性', 'description': {'blocks': [{'key': '41s02', 'text': '短絡状態における光電流と照射光の強さの関係（Jsc–Plight特性）を調べることで、生成した電荷がどの程度再結合して失われているかを評価できる。光強度に比例して電流が増えるほど（Sの値が1に近いほど）、再結合が少なく効率的に電荷が取り出されていることを意味する。', 'type': 'unstyled', 'depth': 0, 'inlineStyleRanges': [{'offset': 23, 'length': 2, 'style': 'SUBSCRIPT'}, {'offset': 27, 'length': 5, 'style': 'SUBSCRIPT'}], 'entityRanges': [], 'data': {}}], 'entityMap': {}}}]}

['eng']

['Li Shuang', '石割文崇']

近年発見されたCISS効果は、発現メカニズム自体も未だ謎の多い現象ですが、その効果を様々に応用しようとする動きがあります。今回我々は、太陽電池の性能向上という新しいCISSの応用方法を初めて報告することができました。2025年10月から、このCISS効果を含めたキラルな現象を研究する「JST-ERATO山本量子キラル変換プロジェクト」がスタートし、私も参画しております。キラル物質科学は、2001年にノーベル化学賞を受賞された野依良治先生や2018年に日本国際賞を受賞された岡本佳男先生により、これまで日本が世界をリードしてきた「お家芸」であるともいえます。今後も当該分野で日本が存在感を出せる成果が生み出されることを願っております。

石割 文崇

招へい准教授

工学研究科