Development of innovative solar cells based on bulk photovoltaic effect of ferroelectric pi-conjugated liquid crystals

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本年度は、バルク光起電力効果を発現する分子凝集構造を明らかにするため、下記の検討を行った。同一の左右非対称なπ電子共役系に二つの乳酸部位が結合した構造を有するジアステレオマーを合成し、これらの化合物の液晶性と電子物性を比較した。二つのジアステレオマーのうち、(S,S)体が強誘電性で、分極誘起電界発光とバルク光起電力効果を示した。もう一方のジアステレオマーである(S,R)体はバルク光起電力効果、および、分極誘起電界発光を示さなかった。(S,R)体の液晶相ではクロモフォアが層法線に対して平行であるのに対して、(S,S)体の液晶相ではクロモフォアが層法線に対して45度傾く。一軸配向した試料では偏光電界発光がみられ、ポーリング電圧の極性を反転させると、偏光面が90度回転する。白色光を照射すると光起電力が発生し開放電圧は1 Vを超える。これらの結果は、キラルな分子が層法線から傾くことにより相の対称性が破れて分極が発生することを示している。AFMによる薄膜の表面観察においては、分極相では特徴的なドメイン構造がみられ、分子の微細な凝集構造とマクロな分極の間に相関性があることが示唆された。本成果に関連した論文はBCSJの優秀論文に選出された。また、バルク光起電力効果の分光感度を長波長側に延長するため、π電子系の拡張を検討した。クインケチオフェンコアに二つの乳酸エステル部位が結合した化合物を合成した。この化合物は、強誘電層であるキラルスメクティックC相と分子が層法線から傾いた高次のスメクティック相を示した。キラルスメクティック相に直流電圧を印加し、高次相へ冷却することにより、高次相において分極を固定することができた。高次相においてバルク光起電力効果が観測され、分光感度は630 nmにまで拡大することができた。また、エネルギー変換効率は0.7％に、フィルファクターは0.67に達した。