光エネルギーを保持する有機配位子で修飾した金属クラスターを開発し、太陽光照度で効率20%を超える赤色光-青色光アップコンバージョンを実現

立教大学（東京都豊島区、総長：西原廉太）大学院理学研究科化学専攻の有馬 大地 氏（博士後期課程1年次、学術振興会特別研究員DC1）と三井 正明 同研究科教授、静岡大学大学院理学研究科の小林 健二 教授らを主とした研究グループは、吸収した光エネルギーを保持する役割を担う有機配位子（三重項媒介配位子）でAu2Cu6(S-Adm)6構造体を修飾した金属クラスターの増感剤Au2Cu6(S-Adm)6[P(DPA)3]2を開発し、地表での標準的な太陽光照度で効率20%を超える赤色光から青色光への光エネルギー変換（フォトンアップコンバージョン）を実現しました。




この新しい増感剤により、太陽光や室内照明などの比較的弱い強度の光でも、低エネルギーの光子をそれよりも高エネルギーの光子へと高効率に変換することが可能となりました。今後、太陽光をはじめとする光エネルギーの有効利用に貢献することが期待されます。本研究成果は、アメリカ化学会の最高峰のジャーナルであるJournal of the American Chemical Societyに掲載され、掲載号のSupplementary Journal Coverにも選定されました。
（添付：Au2Cu6(S-Adm)6[P(DPA)3]2）
　

【研究の背景】


三重項−三重項消滅（TTA）に基づくフォトンアップコンバージョン（TTA-UC; Triplet-Triplet Annihilation Photon Upconversion）は、長波長の光を短波長の光に変換する手法であり、多岐にわたる用途への応用が期待される光エネルギー変換技術として注目されています。TTA-UCでは、増感剤（S）と発光体（E）を組み合わせた系が利用され、図1に示すように、増感剤は入射光を吸収し、そのエネルギーを発光体へと受け渡します。この励起エネルギーの受け渡し過程は三重項エネルギー移動（TET）とよばれ、この効率が高いほど発光体の励起三重項状態（3E*）が多く生成され、TTAが促進されます。その結果、発光体の励起一重項状態（1E*）が多数生成され、入射光（hva）よりも短波長（高エネルギー）のUC発光（hvUC）が得られます（hva < hvUC）。
　　
（添付：図1: Au2Cu6(S-Adm)6構造体をP(DPA)3三重項媒介配位子で修飾したAu2Cu6(S-Adm)6[P(DPA)3]2クラスター増感剤によるフォトンアップコンバージョンの概念図。Au2Cu6コアが入射光（hva）を吸収し、その光エネルギーを三重項媒介配位子に高速に移動させ、長寿命に保持することに成功。さらにそのエネルギーを発光体に受け渡すことにより、青色光（hvUC）への変換を達成）
　
このようにTTA-UC機構は、発光体2分子間のTTAに基づく2光子過程であるため、最大のUC効率（ΦUC）は50%です。高効率化の鍵となるのは、増感剤における三重項生成量子収率（ΦT）、増感剤と発光体との間のTET量子収率（ΦTET）、発光体のTTA量子収率（ΦTTA）の向上です。本研究では、100%のΦTとΦTETを達成するため、図1に示すAu2Cu6(S-Adm)6[P(DPA)3]2（S-Adm = 1-adamanthanethiolate; DPA = 9,10-diphenylanthracene）を新たな増感剤として開発しました。