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サブ課題A 新エネルギー源の創出・確保 - 太陽光エネルギー

高効率太陽光エネルギー変換による新エネルギー源の創出を目指す。複雑なスピン状態を含む天然・人工光合成系の素反応から物質設計までを取り扱える統合的な計算手法を確立し、水分解反応の本質解明と新エネルギー創出に有望な物質探索を行う。また、太陽電池の物質設計とモルフォロジー・界面の制御に貢献できるシミュレータの開発を行い、高効率太陽電池の実現に向けた計算的アプローチを推進することにより次世代のエネルギー資源の創出に貢献する。
人工光合成の物質設計と実用化を目的とした光合成シミュレータの開発と、高効率な太陽電池の予測を可能にする太陽電池シミュレータの開発を行う。

光合成シミュレータでは、複雑なスピン状態を伴う多核金属錯体の電子状態の正確な取り扱いを可能にする強相関ソルバーの開発を行い、ESRやEDNMRをプローブとした応用に展開する。大規模な量子エンタングルメントを取り扱う新規な理論と数値解法を発展させ、光合成の機構解明をポスト「京」で始めて可能とする。基礎となる天然光合成系についてはKokサイクルの各酸化状態での水分解サイトの構造決定を行い、反応機構を明らかにする。半導体光触媒については、大規模な時間依存密度汎関数計算によるバンドギャップと水の酸化還元準位とのバンドアライメント最適化を行う。 更に、上記研究で開発した光合成シミュレータを用い、新規光触媒設計と助触媒の最適化の応用研究を行う。

太陽電池シミュレータではメモリ分割を施した時間依存密度汎関数法を開発し、数千〜1万原子規模のドナー・アクセプター界面での電荷分離状態のシミュレーションを行うと共に、領域分割によるアプローチも検討する。更に、有機電子供与体・有機電子受容体の相互作用と光誘起による電子物性に強く依存するISCを飛躍的に増加させる有機物材料の設計指針を明らかにする。 更に、上記研究で開発した太陽電池シミュレータを用い、ペロブスカイト太陽電池の光電荷移動機構や自由キャリア機構の解明に向けた研究を行う。

有機太陽電池(イメージ)
H. Imahori and T. Umeyama,
J. Phys. Chem. C, 2009, 113 (21), pp 9029–9039
Copyright (2009) American Chemical Society

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