Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

太陽電池 / 光充電 / 太陽光発電 / エネルギー変換 / 導電性高分子 / ポルフィリン / 二次電池 / 色素増感 / 酸化チタン / ポリピロール

太陽電池の利用拡大は重要な課題である。最近、低コスト高性能太陽電池として「色素増感太陽電池」が発表され、次世代太陽電池として期待されるようになった。色素増感太陽電池は、多孔性酸化チタンの表面に吸着した色素からの高効率光誘起電子移動と、電解質中の酸化還元とを組合せたものであり、形状自由度の高さやカラフルな太陽電池作成も可能なことから、高付加価値太陽電池としても期待されている。しかしながら、太陽電池には本質的に光強度に依存する出力変動があり、色素増感太陽電池ではその変動が大きいことが指摘されている。このため、実際の使用形態として二次電池との組み合わせが必要である。われわれは、湿式太陽電池の一つである色素増感太陽電池の主要な過程が光エネルギーの化学エネルギーへの変換反応であるという特徴を活かせば、太陽電池そのものに二次電池の機能(エネルギー貯蔵機能)を付与することもできると考えた。本研究では、この考えを実現する目的で、充放電が可能な光エネルギー貯蔵型色素増感太陽電池を開発した。
最終年度である今年度は、光エネルギー貯蔵型色素増感太陽電池に用いる電荷蓄積電極の大容量化を研究した。電荷蓄積電極には、酸化チタンの伝導帯とのエネルギー順位の関係から導電性高分子のポリピロールを検討した。また、基板にはステンレスメッシュならびにチタンメッシュを用いた。さらに、ナフィオンのコーティングについても検討した。その結果これまでよりはるかに高性能の光充電セルを実現することができた。

電極アレイ / 神経細胞 / 培養 / 導電性高分子 / ポリピロール / フォトリソグラフィ

半導体素子上に培養した神経細胞回路において問題となるのは、神経細胞と素子との親和性である。そこで本研究では、神経細胞と電極をつなぐインタフェースとして導電性高分子を使用し、生体との親和性を高めつつ、素子から神経細胞への信号伝達効率を下げないような、バイオ/シリコン融合素子の開発を目指す。導電性高分子は生体との親和性も高く、かつ導電性を持つことが特徴であるが、その加工方法には工夫を要する。導電性高分子の多くは、炭素-炭素共役二重結合がつながった分子構造をしているため、不融不溶であり、重合後に通常の高分子の熱加工方法などは適用できないと言う欠点を持っている。そこで本年度は、ポリビニルアルコールをマトリックスとする方法により、ポリピロールのマイクロパターン作製と、培養細胞を用いた生体適合性の評価を行なった。パターン作製には、酸化重合剤の光反応性を利用したフォトリソグラフィを用いた。その結果、マスクパターンの露光時間やピロールの重合時間を最適に設定すれば、最小線幅3μmのポリピロールパターンを作製できることが判明した。またポリピロール上に細胞を培養した結果、培養細胞は突起を伸展して成長し、4週間にわたって生存した。これらの結果より、電極アレイに適用可能な微小サイズまでポリピロールパターンを微小化できることが示された。またポリピロールは高い生体適合性を持つことが示された。

電子伝導体 / イオン伝導体 / 導電性高分子 / 高分子ゲル / 複合体 / リチウム二次電池 / バイオセンサー / ポリピロール / メチルメタクリレート / 分子内電子移動反応 / リチウムデンドライト / 金属イオン / 誘電性高分子 / 電子電導体 / イオン電導体

本基盤研究では、新規電子伝導体およびイオン伝導体の作製及び特性評価を行い、リチウム二次電池やバイオセンサへの適用を検討した。主な研究成果の概要を以下に記す。
(1)レドックス活性ポリアニリンと有機硫黄化合物間の電子移動反応の解析を行い、ポリアニリンへのプロトン付加およびスルフォニル基(-SO_3^-)の導入により電子移動反応速度が加速化されることを見い出した。
(2)スルフォン化ポリアニリンと銅イオンとの複合化、レドックス活性フェロセン誘導体のポリアニリン主鎖への導入および含硫黄官能基のポリピロール主鎖への導入により、導入したレドックス活性種と導電性高分子主鎖との間で速やかな電子移動反応が起こる新規レドックス活性導電性高分子を作製した。
(3)ピリジン基を有する相転位性イソプロピルポリマーゲル中に酵素活性中心であるヘミンを配位結合により導入することにより新規レドックス活性イオン伝導体を作製し、ポリマーゲルを相転位させることにより過酸化水素の還元に対するヘミンの触媒活性をコントロールすることに成功した。また、ゲルにルテニウム錯体を配位させることにより、その酸化還元活性の制御も行った。
(4)イオン伝導体におけるイオン移動に対して、メチルメタクリレートおよびアクリロニトリル系ポリマーゲルの開発に関して、共重合体の作製、架橋構造および架橋度を制御することにより、10^<-3>S/cm以上の高イオン伝導度を有するリチウム二次電池用ポリマーゲル電解質を開発した。
(5)メチルメタクリレート系ポリマーゲル電解質へのエチレンオキシドユニットの導入により、金属リチウム負極/ポリマーゲル電解質界面におけるリチウムデンドライトの生成を抑制することに成功し、金属リチウム電極を使用する高エネルギー密度二次電池用電解質として高イオン伝導性を有する高機能性ポリマーゲルの作製に成功した。

電極アレイ / 神経細胞 / 培養 / 導電性高分子 / ポリピロール / フォトリソグラフィ / 神経細胞培養 / 軸索誘導 / バイオチップ

半導体素子上に神経細胞を培養し、その軸索伸長を人工的に制御して神経回路を形成させる技術について研究を行う。これまでITO(indium tin oxide)や白金など、生体適合性が比較的高いといわれる金属材料を用いて作製した微小電極アレイ上に神経細胞を培養し、その軸索誘導を試みてきた。しかし電極アレイ上に細胞を直接培養しようとすると、細胞が培養途中で死滅してしまうため、ポリリジンや細胞外マトリクス分子で電極アレイ表面をコーティングする必要があった。しかしコーティングはインピーダンスを増加させるため、細胞への電気刺激ならびに細胞からの電気記録には好ましくない。したがって生体組織との適合性および導電性の低下を同時に解決する必要がある。そこで、導電性高分子の一つであるポリピロールを材料とすることにより、高い生体適合性と導電性を持つ電極アレイが作製できると考え、ポリピロールのマイクロパターン作製と、培養細胞を用いた生体適合性の評価を行なった。パターン作製には、酸化重合剤の光反応性を利用したフォトリソグラフィを用いた。その結果、マスクパターンの露光時間やピロールの重合時間を最適に設定すれば、最小線幅3μmのポリピロールパターンを作製できることが判明した。またポリピロール上に細胞を培養した結果、培養細胞は突起を伸展して成長し、4週間にわたって生存した。

【研究分担者】
大西保志	愛知県工業技術センター	材料部	主任研究員
八木透	名古屋大学	工学研究科	助手	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
波戸崎修	東京農工大学	工学部	助手	(Kakenデータベース)
立間徹	東京農工大学	工学部	助手	(Kakenデータベース)