(57)【要約】【課題】  電荷分離が生じやすく、かつ、電荷再結合の生じにくい光起電力素子を提供する。【解決手段】  電荷分離作用を有する化合物を含有する光起電力素子であって、前記化合物は、分子内に電子供与性部と電子受容性部とを有し、前記電子受容性部が励起子を受容または発生する。前記電子受容性部のＨＯＭＯ（最高被占軌道）のエネルギー準位は、前記電子供与性部のＨＯＭＯのエネルギー準位より低い。また、前記電子受容性部のＬＵＭＯ（最低空軌道）のエネルギー準位は、前記電子供与性部のＨＯＭＯのエネルギー準位より高い。さらに、前記電子受容性部のＨＯＭＯの重心と前記電子供与性部のＨＯＭＯの重心との間の距離が、前記電子受容性部のＬＵＭＯの重心と前記電子供与性部のＨＯＭＯの重心との間の距離よりも短い。【選択図】  図３
2016225431.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷分離作用を有する化合物を含有する光起電力素子であって、
前記化合物は、分子内に電子供与性部と電子受容性部とを有し、
前記電子受容性部が励起子を発生または受容し、
前記電子受容性部のＨＯＭＯ（最高被占軌道）のエネルギー準位が、前記電子供与性部のＨＯＭＯのエネルギー準位より低く、
前記電子受容性部のＬＵＭＯ（最低空軌道）のエネルギー準位が、前記電子供与性部のＨＯＭＯのエネルギー準位より高く、
前記電子受容性部のＨＯＭＯの重心と前記電子供与性部のＨＯＭＯの重心との間の距離が、前記電子受容性部のＬＵＭＯの重心と前記電子供与性部のＨＯＭＯの重心との間の距離よりも短いことを特徴とする光起電力素子。
【請求項２】
前記電子受容性部のＬＵＭＯと前記電子供与性部のＨＯＭＯとの間のトランスファー積分の大きさに対する、前記電子受容性部のＨＯＭＯと前記電子供与性部のＨＯＭＯとの間のトランスファー積分の比が３．２より大きいことを特徴とする請求項１に記載の光起電力素子。
【請求項３】
前記化合物が、前記電子受容性部において光を吸収して前記励起子を発生することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光起電力素子。
【請求項４】
前記電子受容性部が、５，１２−ナフタセンキノニル基であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光起電力素子。
【請求項５】
電荷分離作用を有する化合物を含有する光起電力素子であって、
前記化合物は、分子内に電子供与性部と電子受容性部とを有し、
前記電子供与性部が励起子を発生または受容し、
前記電子受容性部のＬＵＭＯ（最低空軌道）のエネルギー準位が、前記電子供与性部のＬＵＭＯのエネルギー準位より低く、
前記電子受容性部のＬＵＭＯのエネルギー準位が、前記電子供与性部のＨＯＭＯ（最高被占軌道）のエネルギー準位より高く、
前記電子受容性部のＬＵＭＯの重心と前記電子供与性部のＬＵＭＯの重心との間の距離が、前記電子受容性部のＬＵＭＯの重心と前記電子供与性部のＨＯＭＯの重心との間の距離よりも短いことを特徴とする光起電力素子。
【請求項６】
前記電子受容性部のＬＵＭＯと前記電子供与性部のＨＯＭＯとの間のトランスファー積分の大きさに対する、前記電子受容性部のＬＵＭＯと前記電子供与性部のＬＵＭＯとの間のトランスファー積分の比が３．２より大きいことを特徴とする請求項５に記載の光起電力素子。
【請求項７】
前記化合物が、前記電子供与性部において光を吸収して前記励起子を発生することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光起電力素子。
【請求項８】
前記電子受容性部と前記電子供与性部とが、前記電子受容性部に含まれる原子と前記電子供与性部に含まれる原子との間の共有結合、あるいは、アミド結合またはエステル結合、エーテル結合のいずれかを少なくとも１つ含む結合を介して結合していることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の光起電力素子。
【請求項９】
さらに一対の電極を有し、
前記化合物が、前記一対の電極の間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の光起電力素子。
【請求項１０】
さらに酸化触媒および還元触媒を有し、
前記酸化触媒および前記還元触媒によって水を分解して酸素または水素を発生することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の光起電力素子。
【請求項１１】
分子内に電子供与性部と電子受容性部とを有し、
前記電子受容性部が励起子を発生または受容し、
前記電子受容性部のＨＯＭＯ（最高被占軌道）のエネルギー準位が、前記電子供与性部のＨＯＭＯのエネルギー準位より低く、
前記電子受容性部のＬＵＭＯ（最低空軌道）のエネルギー準位が、前記電子供与性部のＨＯＭＯのエネルギー準位より高く、
前記電子受容性部のＨＯＭＯの重心と前記電子供与性部のＨＯＭＯの重心との間の距離が、前記電子受容性部のＬＵＭＯの重心と前記電子供与性部のＨＯＭＯの重心との間の距離よりも短いことを特徴とする電荷分離作用を有する化合物。
【請求項１２】
分子内に電子供与性部と電子受容性部とを有し、
前記電子供与性部が励起子を発生または受容し、
前記電子受容性部のＬＵＭＯ（最低空軌道）のエネルギー準位が、前記電子供与性部のＬＵＭＯのエネルギー準位より低く、
前記電子受容性部のＬＵＭＯのエネルギー準位が、前記電子供与性部のＨＯＭＯ（最高被占軌道）のエネルギー準位より高く、
前記電子受容性部のＬＵＭＯの重心と前記電子供与性部のＬＵＭＯの重心との間の距離が、前記電子受容性部のＬＵＭＯの重心と前記電子供与性部のＨＯＭＯの重心との間の距離よりも短いことを特徴とする電荷分離作用を有する化合物。
【請求項１３】
下記式（１）で表される化合物；
【化１】
2016225431.tif 000006
ただし、式（１）において、Ｒ１は、置換基を有していてもよいナフチル基、置換基を有していてもよいフルオレニル基、または置換基を有していてもよいフェナントレニル基のいずれかを表す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光起電力素子、および電荷分離作用を有する化合物に関する。
【背景技術】
【０００２】
光エネルギーを電気エネルギーに直接変換するデバイスである太陽電池が開発されている。これまでに、シリコンや化合物半導体を用いた太陽電池が実用化されているが、これらの太陽電池は原料や製造プロセスのコストの面で課題が多い。
【０００３】
そこで近年、これまでに実用化されている太陽電池に代わる太陽電池として、有機半導体を用いた有機太陽電池が注目されている。有機太陽電池は、蒸着などの真空プロセスではなく溶液プロセスによって製造することも可能であり、製造プロセスのコストを低下できる可能性がある。
【０００４】
また近年、太陽からの光エネルギーを化学エネルギーに変換する人工光合成デバイスも注目を集めている。人工光合成デバイスは、植物の光合成を模したデバイスである。中でも、有機半導体を用いた人工光合成デバイスの開発が行われている。
【０００５】
有機太陽電池や人工光合成デバイスでは、有機半導体が光を吸収して発生した電子−ホール対（励起子）の電子とホールとを分離する電荷分離によって、光起電力を発生させる。有機太陽電池や人工光合成デバイスにおけるエネルギー変換効率を上げるためには、分離した電子とホールとが結合して電荷分離状態が解消する電荷再結合を抑制し、電荷分離を効率的に行う必要がある。
【０００６】
特許文献１には、光起電力素子の部品分子として使用しうる、分子内に電子供与部と電子受容部とを有し、電荷分離作用を有する化合物が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１４５８５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の化合物は、該化合物のＨＯＭＯ（最高被占軌道）とＬＵＭＯ（最低空軌道）とが、分子内の別々の部位に局在化している。特許文献１に記載の化合物では、電荷分離後に電子がＬＵＭＯに、ホールがＨＯＭＯに存在する。このとき、電荷分離後にホールが存在するＨＯＭＯと電子が存在するＬＵＭＯとが空間的に離れていることで、電子とホールの再結合を抑制することができ、電荷分離状態の寿命を長くすることができる。
【０００９】
しかしながら特許文献１に記載の化合物では該化合物のＨＯＭＯとＬＵＭＯとが離れているために、電荷分離そのものが生じにくい。そのため、このような電荷分離作用を有する化合物を含む従来の光起電力素子においては、電荷分離後の電子とホールの再結合を抑制しようとすると、電荷分離そのものが生じにくくなってしまうという課題があった。
【００１０】
そこで本発明では上述の課題に鑑み、電荷分離が生じやすく、かつ、電荷再結合の生じにくい光起電力素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の光起電力素子は、電荷分離作用を有する化合物を含有する光起電力素子であって、前記化合物は、分子内に電子供与性部と電子受容性部とを有し、前記電子受容性部が励起子を発生または受容し、前記電子受容性部のＨＯＭＯ（最高被占軌道）のエネルギー準位が、前記電子供与性部のＨＯＭＯのエネルギー準位より低く、前記電子受容性部のＬＵＭＯ（最低空軌道）のエネルギー準位が、前記電子供与性部のＨＯＭＯのエネルギー準位より高く、前記電子受容性部のＨＯＭＯの重心と前記電子供与性部のＨＯＭＯの重心との間の距離が、前記電子受容性部のＬＵＭＯの重心と前記電子供与性部のＨＯＭＯの重心との間の距離よりも短いことを特徴とする。
【００１２】
本発明の別の側面の光起電力素子は、電荷分離作用を有する化合物を含有する光起電力素子であって、前記化合物は、分子内に電子供与性部と電子受容性部とを有し、前記電子供与性部が励起子を発生または受容し、前記電子受容性部のＬＵＭＯ（最低空軌道）のエネルギー準位が、前記電子供与性部のＬＵＭＯのエネルギー準位より低く、前記電子受容性部のＬＵＭＯのエネルギー準位が、前記電子供与性部のＨＯＭＯ（最高被占軌道）のエネルギー準位より高く、前記電子受容性部のＬＵＭＯの重心と前記電子供与性部のＬＵＭＯの重心との間の距離が、前記電子受容性部のＬＵＭＯの重心と前記電子供与性部のＨＯＭＯの重心との間の距離よりも短いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電荷分離が生じやすく、かつ、電荷再結合の生じにくい光起電力素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】電子受容性部Ａと電子供与性部Ｄを有する電荷分離化合物における、電子の移動を模式的に表す図である。
【図２】励起工程において電子受容性部Ａが励起子を受容または発生する実施形態に係る電荷分離化合物における、（ａ）電子受容性部Ａと電子供与性部ＤのＨＯＭＯおよびＬＵＭＯのエネルギー準位を表す図と、（ｂ）電荷分離化合物の構造を模式的に表す図である。
【図３】励起工程において電子供与性部Ｄに励起子を受容または発生する実施形態に係る電荷分離化合物における、（ａ）電子受容性部Ａと電子供与性部ＤのＨＯＭＯおよびＬＵＭＯのエネルギー準位を表す図と、（ｂ）電荷分離化合物の構造を模式的に表す図である。
【図４】本実施形態に係る、ＨＯＭＯの重心の位置とＬＵＭＯの重心の位置とが空間的に異なる基の構造を模式的に表す図である。
【図５】５，１２−ナフタセンキノンの分子構造とＨＯＭＯ、ＬＵＭＯの分布を示す図である。
【図６】実施例１の化合物の分子構造を表す図と、比較例１の化合物の分子構造を表す図である。
【図７】トランスファー積分の計算結果を示す図である。
【図８】実施例１の化合物と比較例１の化合物の、電子受容性部ＡのＨＯＭＯ、ＬＵＭＯの分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明においては、その趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下に説明する実施形態に対して適宜変更、改良等が加えられたものについても本発明の範囲に含まれる。
【００１６】
＜光起電力素子＞
本実施形態に係る光起電力素子は、電荷分離作用を有する化合物（以下、「電荷分離化合物」と称する）を含有する。本明細書において光起電力素子とは、光を照射されることで起電力を発生する素子をいう。光起電力素子を、一対の電極間に電荷分離化合物を配置した構成とすることで、発生した起電力を電気エネルギーとして取り出すことができる。あるいは光起電力素子を、電荷分離化合物の近傍に酸化触媒および還元触媒を配置した構成とすることで、発生した起電力を化学エネルギーとして取り出すことができる。この場合は、酸化触媒および還元触媒によって水を分解して、酸素または水素を発生させることで、発生した起電力を化学エネルギーとして取り出す構成とすることが好ましい。なおこの場合、酸化触媒および還元触媒のそれぞれは、共有結合等によって電荷分離化合物に対して固定されていることが好ましい。これにより、電荷分離によって発生した電荷を、効率的に酸化触媒および還元触媒に移動させることができる。
【００１７】
本実施形態に係る光起電力素子は、光を照射されることで励起し、電子−ホール対（励起子）を発生する。本実施形態に係る光起電力素子は、このようにして発生した励起子中の電子とホールとを電荷分離化合物によって分離（電荷分離）し、起電力を発生させる。
【００１８】
以下、本実施形態に係る光起電力素子が含有する電荷分離化合物について、詳細に説明する。
【００１９】
＜電荷分離化合物＞
本実施形態に係る電荷分離化合物は、励起子中の電子とホールとを分離する機能を有する化合物である。本実施形態に係る電荷分離化合物は、分子内に電子供与性部Ｄと電子受容性部Ａとを有する。電荷分離化合物は、電子供与性部Ｄから電子受容性部Ａへと電子が移動することで、励起子中の電子とホールとを分離することができる。なお、電子受容性部Ａから電子供与性部Ｄへとホールが移動する場合もあるが、本明細書では説明の簡単化のために、電子受容性部Ａから電子供与性部Ｄへのホールの移動も、電子供与性部Ｄから電子受容性部Ａへの電子の移動と同じものとして扱う。
【００２０】
図１に示すように、電荷分離化合物が電荷分離を行う場合には、大きくわけて２つの場合がある。１つ目は図１（ａ）に示すように、電荷分離化合物中の電子受容性部Ａが励起子を発生または受容して電荷分離が進行する場合（パターン１）である。なお、図１において電子受容性部Ａおよび電子供与性部Ｄの下に記載された記号は、Ｅは励起状態、Ｇは基底状態をそれぞれ表す。２つ目は図１（ｂ）に示すように、電荷分離化合物中の電子供与性部Ｄが励起子を発生または受容する場合（パターン２）である。
【００２１】
なお、本明細書において「Ｘが励起子を発生する」とは、ＸのＨＯＭＯ（最高被占軌道）に存在していた電子がＸのＬＵＭＯ（最低空軌道）へと遷移して、ＨＯＭＯにホールが、ＬＵＭＯに電子がそれぞれ存在する状態となることをいう。また、本明細書において「Ｘが励起子を受容する」とは、Ｘ以外で発生した励起子がＸへと移動し、Ｘが励起子を受け取ることをいう。例えば、励起子を有するＺのＬＵＭＯからＸのＬＵＭＯへと電子が移動し、ＸのＨＯＭＯからＺのＨＯＭＯへと電子が移動することで、「Ｘが励起子を受容する」ことができる。
【００２２】
電子受容性部Ａまたは電子供与性部Ｄが励起される機構は、特に限定はされない。例えば、電子受容性部Ａまたは電子供与性部Ｄが光を吸収することで励起され、励起子を発生してもよい。または、光を吸収して励起子を発生するアンテナ化合物が電子受容性部Ａまたは電子供与性部Ｄの近傍に存在しており、アンテナ化合物から電子受容性部Ａまたは電子供与性部Ｄへと励起子が移動してもよい。
【００２３】
いずれの場合においても、電子受容性部Ａが励起子を発生または受容した後に、電子供与性部Ｄから電子受容性部Ａへと電子が移動することで、励起子中の電子とホールとが分離される。
【００２４】
一方でこれとは逆に、電荷分離によって移動してきた電子が存在する電子受容性部Ａから、電子供与性部Ｄへと移動することで、電荷分離状態にあった電子とホールとの結合（電荷再結合）も生じる。
【００２５】
光起電力素子のエネルギー変換効率を上げるためには、電荷分離状態の寿命を長くすることが好ましい。すなわち、電荷分離の反応速度は大きく、かつ、電荷再結合の反応速度は小さいことが好ましい。すなわち、電子供与性部Ｄから電子受容性部Ａへの電子移動の速度を増大させ、電子受容性部Ａから電子供与性部Ｄへの電子移動の速度を減少させることが好ましい。
【００２６】
＜電子移動の速度＞
電荷分離や電荷再結合などの際に生じる電子移動の速度ｋは、マーカス理論により、下記式（２）によって表される（Ｂｕｌｌ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．８０，ｐ６２１−６３６（２００７）参照）。
【００２７】
【数１】
2016225431.tif 000003
【００２８】
ただし、式（２）において、ＴＩは電子移動に関与する分子軌道間のトランスファー積分、ΔＧは電子移動前後の自由エネルギー差、λは再配置エネルギー、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度（Ｋ）、ｈはプランク定数である。
【００２９】
ここで、電子移動の際に温度Ｔが一定であるとすれば、電子移動の速度ｋは、トランスファー積分ＴＩ、自由エネルギー差ΔＧ、再配置エネルギーλの３つの変数によって決まる。
【００３０】
トランスファー積分は電子移動に関与する２つの分子軌道の間における電子の移動の容易さを表し、下記式（３）で与えられる。
ＴＩ＝｜＜φ（ｂｅｆｏｒｅ）｜Ｆ｜φ（ａｆｔｅｒ）＞｜  ・・・式（３）
【００３１】
ただし、式（３）において、φ（ｂｅｆｏｒｅ）は電子が移動する前に該電子が占有していた分子軌道を表し、φ（ａｆｔｅｒ）は電子が移動した後に該電子が新たに占有することになった分子軌道を表す。すなわち、φ（ｂｅｆｏｒｅ）およびφ（ａｆｔｅｒ）は、電子移動に関与する２つの分子軌道をそれぞれ表す。また、Ｆは電荷分離化合物のフォック演算子である。
【００３２】
自由エネルギー差ΔＧは、電子移動する前の状態の電荷分離化合物の自由エネルギーと電子移動した後の状態の電荷分離化合物の自由エネルギーの差である。また、再配置エネルギーλは、電子移動の前後における、電荷分離化合物の周囲に存在する溶媒や、電荷分離化合物の分子配置などに起因するエネルギーの変化量である。
【００３３】
本実施形態では、電子移動の速度ｋを決める変数として、トランスファー積分ＴＩに着目した。式（２）に示すように、電子移動の速度ｋはトランスファー積分ＴＩの二乗に比例している。したがって、電荷分離に関与する分子軌道間のトランスファー積分ＴＩ（ｃｓ）を大きく、電荷再結合に関与する分子軌道間のトランスファー積分ＴＩ（ｃｒ）を小さくすることで、電荷分離の反応速度を大きく、かつ、電荷再結合の反応速度を小さくできる。
【００３４】
電荷分離の反応速度は、電荷再結合御の反応速度の１０倍以上であることが好ましい。また、電荷分離の反応速度は、電荷再結合御の反応速度の１００倍以上であることがより好ましく、１０００倍以上であることが特に好ましい。このように、電荷分離の反応速度を電荷再結合の反応速度より十分に大きくすることで、電荷分離状態の寿命を長くすることができる。その結果、光起電力素子のエネルギー変換効率を向上させることができる。
【００３５】
そのため、ＴＩ（ｃｒ）に対するＴＩ（ｃｓ）の比を３．２以上とすることが好ましい。これにより、電荷分離の反応速度を電荷再結合の反応速度の１０倍以上とすることができる。また、ＴＩ（ｃｒ）に対するＴＩ（ｃｓ）の比は１０以上であることがより好ましく、３２以上であることが特に好ましい。
【００３６】
トランスファー積分ＴＩは、電荷分離化合物の種類、すなわち電子受容性部Ａや電子供与性部ＤのＨＯＭＯ（最高被占軌道）やＬＵＭＯ（最低空軌道）によって変わる。また、トランスファー積分ＴＩは、電子受容性部Ａや電子供与性部ＤのＨＯＭＯやＬＵＭＯだけでなく、電子受容性部Ａおよび電子供与性部Ｄの各分子軌道間の距離や相対配置によっても大きく変わる。具体的には、電子受容性部Ａと電子供与性部Ｄの分子軌道の重なりが大きくなるほど、トランスファー積分ＴＩも大きくなる。
【００３７】
なお、電荷分離化合物の一部分である電子受容性部Ａや電子供与性部ＤのＨＯＭＯやＬＵＭＯのエネルギー準位や空間分布は、電荷分離化合物全体を対象として分子軌道計算を行って求めることが好ましい。しかし、電子受容性部Ａや電子供与性部Ｄである基の末端（結合部位）に水素原子を結合させた分子を対象としてそれぞれ分子軌道計算を行っても、ほとんど同じ結果が得られることが多い。そこで計算を簡単にするために、電子受容性部Ａや電子供与性部ＤのＨＯＭＯやＬＵＭＯのエネルギー準位や空間分布は電子受容性部Ａや電子供与性部Ｄである基の末端に水素原子を結合させた分子を対象として分子軌道計算を行って求めてもよい。
【００３８】
一方、自由エネルギー差ΔＧ、再配置エネルギーλはトランスファー積分ＴＩに比べて、電子受容性部Ａおよび電子供与性部Ｄの各分子軌道間の距離や相対配置によってそれほど大きくは変化しない。
【００３９】
そこで本実施形態では、トランスファー積分ＴＩ（ｃｒ）およびトランスファー積分ＴＩ（ｃｓ）を制御する方法として、電荷分離と再結合に関与する分子軌道の配置に着目した。すなわち、電子供与性部Ｄから電子受容性部Ａへの電子移動に関与する２つの分子軌道の重なりが大きくなるように、かつ、電子受容性部Ａから電子供与性部Ｄへの電子移動に関与する２つの分子軌道の重なりが小さくなるようにする。これにより、トランスファー積分ＴＩ（ｃｓ）のトランスファー積分ＴＩ（ｃｒ）に対する比を大きくすることができ、電荷分離化合物において電荷分離を生じやすく、電荷再結合を生じにくくできる。また、このような電荷分離化合物を光起電力素子に含有させることで、電荷分離が生じやすく、電荷再結合の生じにくい光起電力素子を実現できる。
【００４０】
以下、本実施形態に係る電荷分離化合物についてさらに詳細に説明する。
【００４１】
＜パターン１：電子受容性部Ａが励起子を発生または受容する場合＞
まず、電荷分離化合物中の電子受容性部Ａが励起子を発生または受容して、その後電子供与性部Ｄから電子受容性部Ａへと電子が移動することで電荷分離が進行する電荷分離化合物について説明する。ここでは、電子受容性部Ａが光を吸収することで電子受容性部Ａに励起子が発生する場合について説明するが、本実施形態にかかる電荷分離化合物はこれに限定されるものではない。
【００４２】
図２（ａ）は、励起工程において電子受容性部Ａに励起子が発生する電荷分離化合物における、電子受容性部Ａと電子供与性部ＤのＨＯＭＯおよびＬＵＭＯのエネルギー準位を模式的に示す図である。
【００４３】
まず、電子受容性部Ａが光を吸収すると、電子受容性部Ａが基底状態から励起状態へと励起される。このとき、電子受容性部ＡのＨＯＭＯ（以下、「ＨＯＭＯ（Ａ）」と称する）から電子受容性部ＡのＬＵＭＯ（以下、「ＬＵＭＯ（Ａ）」と称する）へと電子が遷移する（励起工程）。
【００４４】
本実施形態に係る電荷分離化合物では、電子受容性部Ａの近傍に電子供与性部Ｄが存在する。図２（ａ）に示すように、ＨＯＭＯ（Ａ）のエネルギー準位は、電子供与性部ＤのＨＯＭＯ（以下、「ＨＯＭＯ（Ｄ）」と称する）のエネルギー準位より低い。そのため、ＨＯＭＯ（Ｄ）に存在する電子がＨＯＭＯ（Ａ）へと移動することで、電荷分離化合物の全体のエネルギーを低下させることができる。したがって、この電子移動の前後のエネルギー差を駆動力として、ＨＯＭＯ（Ｄ）に存在する電子がＨＯＭＯ（Ａ）に移動し、電荷分離が生じる（電荷分離工程）。その結果、図１（ａ）に示すように、電子受容性部Ａに電子が過剰に存在する状態となり、電子供与性部Ｄにホールが存在する状態となる。
【００４５】
なお、本実施形態に係る電荷分離化合物ではＬＵＭＯ（Ａ）のエネルギー準位は、ＨＯＭＯ（Ｄ）のエネルギー準位より高い。ＬＵＭＯ（Ａ）のエネルギー準位がＨＯＭＯ（Ｄ）のエネルギー準位より低い場合には、ＨＯＭＯ（Ｄ）からＬＵＭＯ（Ａ）への電子の移動が自発的に生じる。一方で本実施形態に係る電荷分離化合物においては、励起工程によってＨＯＭＯ（Ａ）が電子によって占有されていない状態になった後に、電子供与性部Ｄから電子受容性部Ａへの電子の移動が生じる。
【００４６】
また、ＨＯＭＯ（Ｄ）のエネルギー準位は、ＬＵＭＯ（Ａ）のエネルギー準位より低い。そのため、ＬＵＭＯ（Ａ）に存在する電子がＨＯＭＯ（Ｄ）へと移動することで、電荷分離化合物の全体のエネルギーを低下させることができる。したがって、この電子移動の前後のエネルギー差を駆動力として、ＬＵＭＯ（Ａ）に存在する電子がＨＯＭＯ（Ｄ）に移動する。その結果、ＬＵＭＯ（Ａ）に存在していた電子とＨＯＭＯ（Ｄ）に存在していたホールと結合する（電荷再結合工程）。これにより電荷分離状態が解消し、電子受容性部Ａおよび電子供与性部Ｄがそれぞれ基底状態へと戻る。
【００４７】
したがって、励起工程において、電子受容性部Ａに励起子が発生する場合には、電荷分離工程においてはＨＯＭＯ（Ａ）とＨＯＭＯ（Ｄ）の２つの分子軌道が電子移動に関与する。また、電荷再結合工程においてはＬＵＭＯ（Ａ）とＨＯＭＯ（Ｄ）の２つの分子軌道が電子移動に関与する。
【００４８】
そこで本実施形態に係る電荷分離化合物は、ＨＯＭＯ（Ａ）とＨＯＭＯ（Ｄ）の２つの分子軌道の重なりが大きくなるように、かつ、ＬＵＭＯ（Ａ）とＨＯＭＯ（Ｄ）の２つの分子軌道の重なりが小さくなるように各分子軌道が配置されている。そのために、本実施形態に係る電荷分離化合物は図２（ｂ）に示すように、ＨＯＭＯ（Ａ）の重心の位置とＬＵＭＯ（Ａ）の重心の位置とが空間的に異なる分子を、電子受容性部Ａとして有する。
【００４９】
そして、ＨＯＭＯ（Ａ）の重心とＨＯＭＯ（Ｄ）の重心との間の距離が、ＬＵＭＯ（Ａ）の重心とＨＯＭＯ（Ｄ）の重心との間の距離よりも短くなるように、電子受容性Ａと電子供与性部Ｄとを配置する（図２（ｂ））。
【００５０】
これにより、電荷分離工程に関与する分子軌道間の重なりを大きくし、電荷再結合工程に関与する分子軌道間の重なりを小さくすることができる。これにより、トランスファー積分ＴＩ（ｃｓ）のトランスファー積分ＴＩ（ｃｒ）に対する比を大きくすることができ、電荷分離化合物において電荷分離を生じやすく、電荷再結合を生じにくくできる。また、このような電荷分離化合物を光起電力素子に含有させることで、電荷分離が生じやすく、電荷再結合の生じにくい光起電力素子を実現できる。
【００５１】
＜パターン２：電子供与性部Ｄが励起子を発生または受容する場合＞
次に、電荷分離化合物中の電子供与性部Ｄが励起子を発生または受容して、その後電子供与性部Ｄから電子受容性部Ａへと電子が移動することで電荷分離が進行する電荷分離化合物について説明する。ここでは、電子供与性部Ｄが光を吸収することで電子供与性部Ｄに励起子が発生する場合について説明するが、本実施形態にかかる電荷分離化合物はこれに限定されるものではない。
【００５２】
図３（ａ）は、励起工程において電子供与性部Ｄに励起子が発生する電荷分離化合物における、電子供与性部Ｄと電子受容性部ＡのＨＯＭＯおよびＬＵＭＯのエネルギー準位を模式的に示す図である。
【００５３】
まず、電子供与性部Ｄが光を吸収すると、電子供与性部Ｄが基底状態から励起状態へと励起される。このとき、ＨＯＭＯ（Ｄ）から電子供与性部ＤのＬＵＭＯ（以下、「ＬＵＭＯ（Ｄ）」と称する）へと電子が遷移する（励起工程）。
【００５４】
本実施形態に係る電荷分離化合物では、電子供与性部Ｄの近傍に電子受容性部Ａが存在する。図３（ａ）に示すように、ＬＵＭＯ（Ａ）のエネルギー準位は、ＬＵＭＯ（Ｄ）のエネルギー準位より低い。そのため、ＬＵＭＯ（Ｄ）に存在する電子がＬＵＭＯ（Ａ）へと移動することで、電荷分離化合物の全体のエネルギーを低下させることができる。したがって、この電子移動の前後のエネルギー差を駆動力として、ＬＵＭＯ（Ｄ）に存在する電子がＬＵＭＯ（Ａ）に移動し、電荷分離が生じる（電荷分離工程）。その結果、図１（ｂ）に示すように、電子受容性部Ａに電子が過剰に存在する状態となり、電子供与性部Ｄにホールが存在する状態となる。
【００５５】
なお、本実施形態に係る電荷分離化合物ではＬＵＭＯ（Ａ）のエネルギー準位は、ＨＯＭＯ（Ｄ）のエネルギー準位より高い。ＬＵＭＯ（Ａ）のエネルギー準位がＨＯＭＯ（Ｄ）のエネルギー準位より低い場合には、ＨＯＭＯ（Ｄ）からＬＵＭＯ（Ａ）への電子の移動が自発的に生じる。一方で本実施形態に係る電荷分離化合物においては、励起工程によってＬＵＭＯ（Ａ）よりエネルギー準位の高いＬＵＭＯ（Ｄ）に電子が存在する状態になった後に、電子供与性部Ｄから電子受容性部Ａへの電子の移動が生じる。
【００５６】
また、ＨＯＭＯ（Ｄ）のエネルギー準位は、ＬＵＭＯ（Ａ）のエネルギー準位より低い。そのため、ＬＵＭＯ（Ａ）に存在する電子がＨＯＭＯ（Ｄ）へと移動することで、電荷分離化合物の全体のエネルギーを低下させることができる。したがって、この電子移動の前後のエネルギー差を駆動力として、ＬＵＭＯ（Ａ）に存在する電子がＨＯＭＯ（Ｄ）に移動する。その結果、ＬＵＭＯ（Ａ）に存在していた電子とＨＯＭＯ（Ｄ）に存在していたホールと結合する（電荷再結合工程）。これにより電荷分離状態が解消し、電子受容性部Ａおよび電子供与性部Ｄがそれぞれ基底状態へと戻る。
【００５７】
したがって、励起工程において、電子供与性部Ｄに励起子が発生する場合には、電荷分離工程においてはＬＵＭＯ（Ａ）とＬＵＭＯ（Ｄ）の２つの分子軌道が電子移動に関与する。また、電荷再結合工程においてはＬＵＭＯ（Ａ）とＨＯＭＯ（Ｄ）の２つの分子軌道が電子移動に関与する。
【００５８】
そこで本実施形態に係る電荷分離化合物は、ＬＵＭＯ（Ａ）とＬＵＭＯ（Ｄ）の２つの分子軌道の重なりが大きくなるように、かつ、ＬＵＭＯ（Ａ）とＨＯＭＯ（Ｄ）の２つの分子軌道の重なりが小さくなるように各分子軌道が配置されている。そのために、本実施形態に係る電荷分離化合物は図３（ｂ）に示すように、ＨＯＭＯ（Ｄ）の重心の位置とＬＵＭＯ（Ｄ）の重心の位置とが空間的に異なる基を、電子供与性部Ｄとして有する。
【００５９】
そして、ＬＵＭＯ（Ａ）の重心とＬＵＭＯ（Ｄ）の重心との間の距離が、ＬＵＭＯ（Ａ）の重心とＨＯＭＯ（Ｄ）の重心との間の距離よりも短くなるように、電子受容性Ａと電子供与性部Ｄとを配置する（図３（ｂ））。
【００６０】
これにより、電荷分離工程に関与する分子軌道間の重なりを大きくし、電荷再結合工程に関与する分子軌道間の重なりを小さくすることができる。これにより、トランスファー積分ＴＩ（ｃｓ）のトランスファー積分ＴＩ（ｃｒ）に対する比を大きくすることができ、電荷分離化合物において電荷分離を生じやすく、電荷再結合を生じにくくできる。また、このような電荷分離化合物を光起電力素子に含有させることで、電荷分離が生じやすく、電荷再結合の生じにくい光起電力素子を実現できる。
【００６１】
＜ＨＯＭＯの重心の位置とＬＵＭＯの重心の位置とが空間的に異なる基＞
上述のように、本実施形態に係る電荷分離化合物は、ＨＯＭＯの重心の位置とＬＵＭＯの重心の位置とが空間的に異なる基を、電子受容性部Ａまたは電子供与性部Ｄとして有する。以下、このＨＯＭＯの重心の位置とＬＵＭＯの重心の位置とが空間的に異なる基について説明する。
【００６２】
電子受容性部Ａおよび電子供与性部Ｄを有する電荷分離化合物を対象として、あるいは電子受容性部Ａまたは電子供与性部Ｄの末端にそれぞれ水素原子を結合させた分子として分子軌道計算を行う。すると、基を構成する原子の種類やその配置によって、ＨＯＭＯやＬＵＭＯが電子受容性部Ａまたは電子供与性部Ｄ全体に広がったり、特定の部分に局在したりすることが確認できる。ここで、ＨＯＭＯ、ＬＵＭＯなどの分子軌道の計算は、第一原理計算に基づいた分子軌道計算ソフトウェアなどの量子化学計算ソフトウェアによって計算できる。代表的なソフトウェアとしては、ガウシアン社製のガウシアン０３、ガウシアン０９などがある。
【００６３】
ここで、電子受容性部Ａまたは電子供与性部Ｄの構造をうまく選ぶと、それぞれの基の中でＨＯＭＯが主に分布している部位とＬＵＭＯが主に分布している部位を空間的に分けることができることがある。すなわち、ＨＯＭＯの重心の位置とＬＵＭＯの重心の位置とを空間的に分離することができる。
【００６４】
電子受容性部Ａまたは電子供与性部Ｄを、電子受容性パーツａ（以下「パーツａ」と称する）と電子供与性パーツｄ（以下「パーツｄ」と称する）とを組み合わせて構成することで、ＨＯＭＯの重心の位置とＬＵＭＯの重心の位置とを空間的に分離できる。これらの２つのパーツが組み合わされた基中では、ＨＯＭＯがパーツｄ上に主に分布し、ＬＵＭＯがパーツａ上に主に分布する。
【００６５】
パーツｄとしては、電子供与性の高いパーツが望ましく、例えば、トリフェニルアミン基、カルバゾール基、イミダゾール基、フェニレンジアミン基などの三級アミンを有する基や、オリゴチオフェニル基、テトラチアフルバレニル基、ポルフィリニル基、フタロシアニル基、スチルベニル基、多環芳香族炭化水素基などが挙げられる。なお、これらの基はいずれも置換基を有していてもよい。これらの基が置換基を有する場合は、該置換基は電子吸引性の低い置換基であることが好ましい。
【００６６】
また、パーツａとしては、電子吸引性の高いパーツが望ましく、例えば、ピリジニル基、ピリミジニル基、ピラジニル基、キノリニル基、トリアゾール基、オキサゾール基、オキサジアゾール基、チアゾール基、チアジアゾール基などのｓｐ２窒素原子を有する基や、フルオレノニル基、キノニル基、アントラキノジメタン基、キノジメタン基、ジフェノキノン基、クマリニル基、シアノ化芳香族炭化水素基、フッ化芳香族炭化水素基などが挙げられる。なお、これらの基はいずれも置換基を有していてもよい。これらの基が置換基を有する場合は、該置換基は電子供与性の低い置換基であることが好ましい。
【００６７】
なお、パーツｄは電子供与性の高い基であることが好ましく、パーツａは電子吸引性の高い基であることが好ましいが、パーツｄはパーツａに比べて電子供与性が高く、パーツａはパーツｄに比べて電子吸引性が高いことが好ましい。すなわち、パーツｄに求められる電子供与性、パーツａに求められる電子吸引性はそれぞれ、組み合わせるパーツに対する相対的な性質である。
【００６８】
また、パーツｄとパーツａとの間の結合の種類は特に限定はされないが、パーツｄとパーツａは２つ以上の結合を介して接続されていることが好ましい。これにより、パーツｄのパーツａに対する回転の自由度が無くなるため、パーツｄとパーツａを含む基のＨＯＭＯおよびＬＵＭＯの位置を固定することができる。
【００６９】
パーツｄとパーツａは、例えば図４（ａ）に示すように、原子または原子群ＸおよびＹを介して６員環構造を形成して結合されていてもよい。または、図４（ｂ）に示すように、原子または原子群Ｘを介して５員環構造を形成して結合されていてもよい。あるいは、図４（ｃ）に示すように、パーツｄとパーツａとが、それぞれのパーツに含まれる結合を共有して結合されていてもよい。
【００７０】
なおここで、Ｘ、Ｙとしては、例えば、Ｏ、Ｓ、ＮＨ、ＣＨ２、Ｃ＝Ｏ、Ｃ＝ＮＨ、Ｃ＝ＣＨ２などを用いることができる。また、ＸおよびＹは同種であってもよいし、異なっていてもよい。
【００７１】
ＨＯＭＯの重心の位置とＬＵＭＯの重心の位置とが空間的に異なる分子の具体例としては、例えば、図５（ａ）に示す５，１２−ナフタセンキノンがある。５，１２−ナフタセンキノンは、パーツｄであるナフチル基とパーツａである１，４−ナフトキノニル基とが、それぞれのパーツに含まれるＣ＝Ｃ結合を共有して結合した分子である。
【００７２】
５，１２−ナフタセンキノンについて分子軌道計算を行うと、５，１２−ナフタセンキノンのＨＯＭＯの分布は図５（ｂ）のように、ＬＵＭＯの分布は図５（ｃ）のようになる。すなわち、５，１２−ナフタセンキノンのＨＯＭＯはパーツｄであるナフタレン上（図５（ｂ）右側）に主に分布しており、ＨＯＭＯの重心はナフタレンのほぼ中心に位置している。また、５，１２−ナフタセンキノンのＬＵＭＯはパーツａである１，４−ナフトキノン上（図５（ｃ）左側）に主に分布しており、ＬＵＭＯの重心は１，４−ナフトキノンのほぼ中心に位置している。より正確には、５，１２−ナフタセンキノンのＬＵＭＯはキノン上だけでなく、右側のナフタレン上にも若干広がっているが、ＬＵＭＯが主に分布する部位、すなわち、波動関数の振幅がもっとも大きい部位はキノン上にある。なお、５，１２−ナフタセンキノンに含まれる水素原子を１つ脱離させた５，１２−ナフタセンキノニル基を有する化合物のＨＯＭＯおよびＬＵＭＯも、ほぼ同様の分布となると考えられる。
【００７３】
＜ＨＯＭＯの重心の位置とＬＵＭＯの重心の位置とが空間的に異なる基と組み合わせる基＞
励起工程において、電子受容性部Ａに励起子が発生する場合には、上述のＨＯＭＯの重心の位置とＬＵＭＯの重心の位置とが空間的に異なる基を電子受容性部Ａとして用いるため、該分子を電子供与性部Ｄと結合させる必要がある。なおこのとき、電子供与性部Ｄは、ＨＯＭＯ（Ａ）の重心とＨＯＭＯ（Ｄ）の重心との間の距離が、ＬＵＭＯ（Ａ）の重心とＨＯＭＯ（Ｄ）の重心との間の距離よりも短くなる位置に配置する。
【００７４】
電子受容性部Ａと結合させる電子供与性部Ｄは、電子受容性部Ａに比べて電子供与性が高いことが好ましい。電子供与性部Ｄとしては、例えば、トリフェニルアミン基、カルバゾール基、イミダゾール基、フェニレンジアミン基などの三級アミンを有する官能基、オリゴチオフェニル基、テトラチアフルバレニル基、ポルフィリニル基、フタロシアニル基、スチルベニル基、多環芳香族炭化水素基などを用いることができる。なお、これらの官能基はいずれも置換基を有していてもよい。これらの官能基が置換基を有する場合は、該置換基は電子吸引性の低い置換基であることが好ましい。
【００７５】
なお、電子受容性部Ａとして５，１２−ナフタセンキノニル基を用いる場合は、電子供与性部Ｄとしてナフチル基、フルオレニル基、フェナントレニル基のいずれかを用いることが好ましい。これらの官能基を５，１２−ナフタセンキノニル基と組み合わせることで、電荷分離化合物を酸化触媒および還元触媒と結合させた場合に、水を分解するために必要な電位差より十分大きな起電力を発生させることができる。すなわち、電荷分離化合物は下記式（１）で表される化合物であることが好ましい。
【００７６】
【化１】
2016225431.tif 000004
【００７７】
ただし、式（１）において、Ｒ１は、置換基を有していてもよいナフチル基、置換基を有していてもよいフルオレニル基、または置換基を有していてもよいフェナントレニル基のいずれかを表す。
【００７８】
励起工程において、電子供与性部Ｄに励起子が発生する場合には、上述のＨＯＭＯの重心の位置とＬＵＭＯの重心の位置とが空間的に異なる基を電子供与性部Ｄとして用いるため、該基を電子受容性部Ａと結合させる必要がある。なおこのとき、電子受容性部Ａは、ＬＵＭＯ（Ａ）の重心とＨＯＭＯ（Ｄ）の重心との間の距離が、ＬＵＭＯ（Ａ）の重心とＬＵＭＯ（Ｄ）の重心との間の距離よりも短くなる位置に配置する。
【００７９】
電子供与性部Ｄと結合させる電子受容性部Ａは、電子供与性部Ｄに比べて電子受容性が高いことが好ましい。電子受容性部Ａとしては、例えば、ピリジニル基、ピリミジニル基、ピラジニル基、キノリニル基、トリアゾール基、オキサゾール基、オキサジアゾール基、チアゾール基、チアジアゾール基などのｓｐ２窒素原子を有する官能基や、フルオレノニル基、キノニル基、アントラキノジメタン基、キノジメタン基、ジフェノキノン基、クマリニル基、シアノ化芳香族炭化水素基、フッ化芳香族炭化水素基などを用いることができる。なお、これらの官能基はいずれも置換基を有していてもよい。これらの官能基が置換基を有する場合は、該置換基は電子供与性の低い置換基であることが好ましい。
【００８０】
いずれの場合においても、電子受容性部Ａと電子供与性部Ｄとは、電子受容性部Ａに含まれる原子と前記電子供与性部Ｄに含まれる原子との間の共有結合によって結合されていることが好ましい。または、電子受容性部Ａと電子供与性部Ｄとが、アミド結合またはエステル結合、エーテル結合のいずれかを少なくとも１つ含む結合を介して結合されていることが好ましい。
【実施例】
【００８１】
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は以下に説明する実施例に限定されるものではない。
【００８２】
電子受容性部Ａとして５，１２−ナフタセンキノニル基、電子供与性部Ｄとしてナフチル基を用いた、ナフタセンキノン−ナフタレン系において、トランスファー積分の計算を行った。実施例１では、５，１２−ナフタセンキノンの６位にナフタレンを結合した化合物（図６（ａ））、比較例１では、５，１２−ナフタセンキノンの１位にナフタレンを結合した化合物（図６（ｂ））を用いて、計算を行った。
【００８３】
トランスファー積分の計算は、式（３）におけるφ（ｂｅｆｏｒｅ）およびφ（ａｆｔｅｒ）がそれぞれ、下記式（４）および式（５）のように、原子軌道ψｉ、χｊと係数Ａｉ、Ｂｊで展開できるものとして行った。
φ（ｂｅｆｏｒｅ）＝ΣｉＡｉψｉ  ・・・式（４）
φ（ａｆｔｅｒ）＝ΣｊＢｊχｊ    ・・・式（５）
【００８４】
このとき、式（３）は、下記式（６）のように変形できる。
ＴＩ＝ΣｉΣｊＡｉＢｊ＜ψｉ｜Ｆ｜χｊ＞  ・・・式（６）
【００８５】
ここで、＜ψｉ｜Ｆ｜χｊ＞はフォック行列要素と呼ばれ、電子受容性部Ａと電子供与性部Ｄが共存した系についての量子化学計算のアウトプットの１つである。また、係数Ａｉ、Ｂｊはそれぞれ、電子受容性部Ａのみ、あるいは電子供与性部Ｄのみについての電子状態計算のアウトプットとして得られる。すなわち、量子化学計算ソフトウェアを使用し、フォック行列要素と波動関数の係数を計算することで、これらを用いてトランスファー積分を計算することができる。
【００８６】
まず、実施例１および比較例１について、それぞれの最安定構造を計算した。その結果、実施例１の化合物は図６（ｃ）に示す構造、比較例１の化合物は図６（ｄ）に示す構造をとることがわかった。すなわち、実施例１の化合物も比較例１の化合物も、電子受容性部Ａである５，１２−ナフタセンキノニル基とナフチル基とによる二面角が、ほぼ垂直であることがわかった。このことは、電子受容性部Ａと電子供与性部Ｄとの間にπ相互作用が存在していないことを示している。
【００８７】
なお、安定構造計算には、ガウシアン社製のガウシアン０３（Ｒｅｖｉｓｉｏｎ  Ｄ．０１、以下同様）を用いて計算を行った。計算の際には標準的な計算手法である密度汎関数法（Ｂ３ＬＹＰ）に基づいて計算を行い、基底関数は６−３１Ｇ（ｄ）を使用した。また、電子受容性部Ａ、電子供与性部ＤのＨＯＭＯおよびＬＵＭＯの計算は、それぞれの基の末端（結合部位）に水素原子を結合させた分子を用いて行った。すなわち、電子受容性部Ａである５，１２−ナフタセンキノニル基の場合は５，１２−ナフタセンキノンを、電子供与性部Ｄであるナフチル基の場合はナフタレンを用いて計算を行った。なお、このように基の末端に水素原子を結合させた分子で計算を行って得られるＨＯＭＯおよびＬＵＭＯの空間分布は、電荷分離化合物全体を計算対象として得られた各ＨＯＭＯおよびＬＵＭＯの空間分布と概ね一致していた（図５、図８）。
【００８８】
ここで、図５に示したとおり、５，１２−ナフタセンキノンのＨＯＭＯの重心はナフタレン部上にあり、ＬＵＭＯの重心はキノン部上に存在する。一方、ナフタレンのＨＯＭＯはナフタレン全体に広がっており、したがってナフタレンのＨＯＭＯの重心は電子供与性部Ｄであるナフタレンのほぼ中央に位置する。
【００８９】
図８（ａ）は実施例１の化合物の電子受容性部ＡのＨＯＭＯの分布を、図８（ｂ）は実施例１の化合物の電子受容性部ＡのＬＵＭＯの分布を、それぞれ示す。また、図８（ｃ）は比較例１の化合物の電子受容性部ＡのＨＯＭＯの分布を、図８（ｄ）は比較例１の化合物の電子受容性部ＡのＬＵＭＯの分布を、それぞれ示す。図８に示した通り、実施例１の化合物、比較例１の化合物のいずれについても、電子受容性部Ａである５，１２−ナフタセンキノニル基のＨＯＭＯの重心は５，１２−ナフタセンキノニル基のナフタレン部上に存在していた。また、電子受容性部Ａである５，１２−ナフタセンキノニル基のＬＵＭＯの重心は５，１２−ナフタセンキノニル基のキノン部上に存在していた。また、図示しないが、電子供与性部Ｄであるナフチル基のＨＯＭＯについても、ナフタレンと同様、ナフチル基全体に広がっていた。
【００９０】
そのため、実施例１の化合物（図６（ａ）、（ｃ））では、ＨＯＭＯ（Ａ）の重心とＨＯＭＯ（Ｄ）の重心との間の距離が、ＬＵＭＯ（Ａ）の重心とＨＯＭＯ（Ｄ）の重心との間の距離よりも短い。一方、比較例１の化合物（図６（ｂ）、（ｄ））では、ＨＯＭＯ（Ａ）の重心とＨＯＭＯ（Ｄ）の重心との間の距離が、ＬＵＭＯ（Ａ）の重心とＨＯＭＯ（Ｄ）の重心との間の距離よりも長い。
【００９１】
次に、実施例１の化合部と比較例１の化合物のそれぞれについて、電荷分離に関与するＨＯＭＯ（Ａ）とＨＯＭＯ（Ｄ）との間のトランスファー積分ＴＩ（ｃｓ）と、電荷再結合に関与するＬＵＭＯ（Ａ）とＨＯＭＯ（Ｄ）との間のトランスファー積分ＴＩ（ｃｒ）を計算した。なお、トランスファー積分の計算は、上述の安定構造計算と同様に、ガウシアン社製のガウシアン０３を用いて行った。
【００９２】
図７は、トランスファー積分ＴＩの２乗を、電荷分離、電荷再結合のそれぞれについて計算した結果を示すグラフである。
【００９３】
図７から、実施例１の化合物は、電荷分離に関するトランスファー積分ＴＩ（ｃｓ）の２乗の値は大きく、電荷再結合に関するトランスファー積分ＴＩ（ｃｒ）の２乗の値は非常に小さいことがわかった。式（２）から、電子移動の速度はトランスファー積分の２乗に比例するため、実施例１の化合物においては電荷分離の際の電子移動速度は大きく、電荷再結合の際の電子移動速度は小さいことがわかる。また、ＴＩ（ｃｒ）に対するＴＩ（ｃｓ）の比はおよそ２５０であり、３．２を大きく上回る値となった。したがって、実施例１の化合物においては、電荷再結合反応より電荷分離反応が十分に速く進行することがわかった。このことから、実施例１の化合物は電荷分離状態の寿命が長く、実施例１の化合物を有する光起電力素子は電荷分離が生じやすく、かつ、電荷再結合が生じにくいことが示唆される。
【００９４】
一方、図７から、比較例１の化合物は、実施例１の化合物と比べてＴＩ（ｃｓ）の２乗の値は小さく、ＴＩ（ｃｒ）の２乗の値は大きいことがわかった。また、ＴＩ（ｃｒ）に対するＴＩ（ｃｓ）の比はおよそ１．３であり、実施例１の化合物においては、電荷再結合反応と電荷分離反応とで反応速度がそれほど大きく変わらないことがわかった。したがって、比較例１の化合物では、電荷分離によって電子とホールとが生成しても、電子とホールとがすぐに再結合してしまい、電荷分離状態の寿命が短いことが予想される。
【００９５】
実施例１の化合物（図６（ａ））は、以下の合成スキームによって合成することができる。
【００９６】
【化２】
2016225431.tif 000005
【００９７】
上記の合成スキームについて説明する。
【００９８】
まず、６−ヒドロキシ−５，１２−ナフタセンジオン２０ｍｍｏｌ、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）２１ｍｍｏｌを、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）１５ｍＬに加えて溶解させる。続いてこの溶液に、パーフルオロオクチルスルホニルフリオリド（Ｃ８Ｆ１７ＳＯ２Ｆ）１６．７ｍｍｏｌを滴下する。その後、この溶液を７０℃で５時間加熱した後、１００ｍＬの水を加え、酢酸エチルで抽出する。硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ４）を用いて油層を乾燥し、溶媒を減圧して蒸発させる。
【００９９】
次に、作製した混合物と１−ナフタレンボロン酸１５ｍｍｏｌ、［１，１′−ビス（ジフェニルホスフィノ）フェロセン］ジクロロパラジウム（ＩＩ）（Ｐｄ（ｄｐｐｆ）Ｃｌ２）１．６ｍｍｏｌ、Ｋ２ＣＯ３３２ｍｍｏｌ、溶媒１０ｍＬをマイクロウェーブチューブに詰める。溶媒として、アセトン／トルエン／水を４：４：１の比率で混合した共溶媒を用いる。このマイクロウェーブチューブに対してマイクロ波を１５０Ｗ、１３０℃で１０分間照射する。生成物を水１０ｍＬで洗浄し、油層をメタノール／水を８０：２０で混合した溶媒で調製したフルオロフラッシュカートリッジ（フルオロシリカゲル（Ｓｉ−（Ｍｅ）２Ｃ８Ｆ１７）を充填したカートリッジ）に充填する。カートリッジをメタノール／水を８０：２０で混合した溶媒１００ｍＬで溶出させることで、上記の実施例１の化合物を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明の光起電力素子は、太陽電池などの光エネルギーを電気エネルギーへと変換するデバイスや、人工光合成デバイスなどの光エネルギーを化学エネルギーへと変換するデバイスとして利用することができる。
【図１】
2016225431.tif 000007
【図２】
2016225431.tif 000008
【図３】
2016225431.tif 000009
【図４】
2016225431.tif 000010
【図７】
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【図５】
2016225431.tif 000012
【図６】
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【図８】
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