秋田県立大館鳳鳴高等学校
細谷享平，塚本美早，松山駿汰，森川太酬（顧問：金野寛之，鈴木修子）

フラボノイド色素を用いた太陽電池

本 研 究 は， 日 本 農 芸 化 学 会 2015 年 度（平 成 27 年 度） 大 会（開 催 地： 岡 山 大 学）「ジ ュ ニ ア 農 芸 化 学 会 2015」 で 発 表 されたものである．生活圏内に自生する秋田県の県花アキタブ
キがフラボノイド類を含有することに着目し，そのメタノール抽出，化合物同定を行い，太陽電池への利用を検討し，その中で起電力に対するフラボノイド化合物群の三次元構造にが成立する（図 1A）．
この DSC に利用される色素は，クロロフィルをモデルにしたフタロシアニンルテニウム錯体 (1)，マーキュロクロム，クマリン誘導体 (2) などが知られている．天然
色素抽出混合物も DSC に利用可能であることが知られ基づいた構造活性相関まで考察した，たいへん興味深い研究ている (3)．本研究では秋田県花アキタブキ由来フラボであった．

ノ イ ド 色 素（Akita Buki Flavonid Methanol solution;
(4)
ABFM）
（図 1B）ならびにフラボノイド色素を用いた本研究の背景・目的，方法，結果および考察

DSC を調製し，その起電力と分子構造の関係を検討した．

【背景・目的】
大量の資源とエネルギー消費で成り立っている現代の【方法】
実験 1：アキタブキ葉色素（ABFM）抽出とその含有分

生活は，地球環境とその持続可能性に深刻な危惧を与え子種の同定ている．再生可能エネルギーである太陽光発電は実用化① ABFM 抽出段階に入っているが，太陽電池の 90％を占めるシリコ

秋田県大館市山館付近に自生するアキタブキを自然乾

ン型は，高コストで一般に普及するまでには至っておら

燥，粉末化後，160 g を 2 L メタノールで 2 カ月常温抽出ず，簡便で低コストの色素増感太陽電池（Dye sensi-した．抽出原液 200 mL を濃縮し，残渣を石油エーテル

tized solar cell; DSC）が注目されている．DSC は電極，50 mL で 2 回洗浄しクロロフィルを除去，メタノールで増感色素，対極および電解質で構成されており，電極は溶解して 1 g/100 mL 濃度溶液を調製した（図 1C）．

透明導電性基盤に半導体粉末塗布後焼付け，多孔質状薄②フラボノイド色素溶液

膜に色素を吸着させる．酸化チタンに吸着した色素に光合成 2-ヒドロキシカルコン，市販クェルセチンおよびが吸収された結果，電子が光励起されたのち，酸化チタルチンから 1 wt％メタノール溶液を調製した．紅色のルン粒子に放出される．放出電子は酸化チタンの伝導帯をチン還元体は，ルチン溶液 50 mL に 6 M 塩酸 10 mL と金通って導電性ガラスへ運ばれる．酸化された色素は電解属マグネシウム 5 g を加えて還元反応を起こさせること液中のヨウ化物イオンから電子を補充され元の色素に戻で調整した．

り，ヨウ化物イオンは酸化されて三ヨウ化物イオンにな③フラボノイド定性反応

る．酸化チタンから放出された電子は対極表面に移動（i）塩酸・マグネシウム試験：ABFM に，2 M 塩酸とマし，触媒である炭素を介して電解液中の三ヨウ化物イオグネシウムを反応させる．フラボノール（配糖体）は濃ンをヨウ化物イオンに還元する行程が繰り返され，電池紅色に発色する．

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化学と生物 Vol. 53, No. 10, 2015

図 1 ■ 色素増感太陽電池（DSC）の原理とアキタブキの特性
A）DSC の原理，B）アキタブキ，C）（左から） メ タ ノ ー ル 抽 出 原 液，10 倍 希 釈 液（ABFM）， フ ラ ボ ノ イ ド 混 合 液，D） メ タ
ノール抽出物の TLC, E）メタノール抽出物の UV スペクトル．

（ii）塩酸・亜鉛試験：ABFM に，6 M 塩酸と亜鉛を反タン板と固定した（図 2C）．

応させる．フラボノール 3 位配糖体は紅色に発色する．

④起電力の測定④ TLC 分析
Kieselgel 60 F254 を用い -ブタノール：酢酸：水＝チタン板を負極，炭素板を正極とし，15 cm 離したハロゲンランプ（RL-205, 100 V, 160 W, 照度 25,400 Lux）

4 : 1 : 2 で展開し，254 nm 紫外線で検出した（図 1D）．

をチタン板側から照射し（図 2D），数値を 30 秒間隔で⑤紫外・可視吸収スペクトル記録し（図 2E）．起電力は初期電圧値 3〜5 回の平均値

各メタノール溶液を紫外可視分光光度計により測定しである．

た（図 1E）．

【結果および考察】

実験 2：DSC の作成と起電力の測定

実験 1：① DSC 基盤① ABFM のフラボノイド定性試験

透明導電性ガラス板（ジオマテック社製高耐久 TCO,ABFM 抽出物は塩酸・マグネシウムおよび亜鉛試験125 mm×125 mm×1.1 mm）を 4 等分に切断．導電面を共に陽性であることから，フラボノールおよびその 3 位電子オルゴールと乾電池を用いて確認し，洗浄後，自然配糖体が存在していることが予測された．

乾燥した．

② ABFM の TLC 分析②電極作成と色素吸着コロイド二酸化チタンパウダー 2.5 g に，ポリエチレングリコール（分子量 600）原液 4.0 mL, 15％酢酸水溶

TLC クロマトグラフを図 1D に示す．標品クェルセチン（0.91）とその 3 位ルチノース配糖体ルチン（0.64）が分離され，ABFM 中にはルチンより極性が強液 1.0 mL, Triton X-100 1 滴加えたチタンペーストを導く，チタン表面への吸着力が高いと期待される化合物

電性ガラス面に薄く塗布し（図 2A），150 秒温風乾燥（色素 a〜c）が認められた．色素 g のスポット（後，電気炉で 450 C，30 分間処理し（図 2B），その後，は標準サンプルとの比較から，クェシトリン（クェルセ色素液に 20 分間浸漬，洗浄後，自然乾燥した．対極炭チン 3-ラムノシッド）と推定された (4)．

素板は導電面に，ろうそくで煤を全体に薄く塗布しABFM の紫外・可視吸収スペクトルを図 1E に示す．

た (5)．

ABFM の極大吸収波長は 327 nm であった．

③セルの組み立て実験 2：

炭 素 板 に 電 解 液（ヨ ウ 素 0.65 g, ヨ ウ 化 カ リ ウ ム
4.15 g／エチレングリコール 100 mL）を 4 滴滴下後，チ化学と生物 Vol. 53, No. 10, 20150.85）① ABFM-DSC の起電力（図 3A）
ABFM および色素を用いない DSC の起電力を比較し721

図 2 ■ DSC の作成方法と起電力の測定
詳細は文中を参照．

図 3 ■ 作成した DSC 起電力および分子構造からの起電力の考察
A）ABFM 抽出物およびフラボノイド化合物の起電力，B）ルチンおよび C）ルチン還元体の構造とその分子模型．

た．ABFM は 422.6 mV であり，色素なし DSC120.9 mV力（増感作用）が認められた．同じ共役二重結合数であよりも高い起電力を示した．

るがフラボノイド骨格をもたない 2-ヒドロキシカルコン

ラボン骨格形成前駆体 2-ヒドロキシカルコンを用いたの起電力が一番低いことから，閉環したフラボン構造‒1O‒2C=3C‒4C=O が起電力の向上に寄与していると推定

起 電 力 を 比 較 し た． ク ェ ル セ チ ン 188.6 mV, ル チ ン

された．吸着色素ヒドロキシ基による相互作用，電気力

282.1 mV, カルコン 151.7 mV となり，いずれも高い起電および水素結合によりチタン表面と強く吸着できる配糖

クェルセチン，そのルチノース配糖体ルチンおよびフ722

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体ルチンが最も高い起電力を示したことから，色素分子まとめと今後の展望の光励起による放出電子がスムーズに進行したためと解釈した．

ABFM お よ び フ ラ ボ ノ イ ド 類 の DSC を 調 製 し，② ABFM-DSC とフラボノイド DSC の起電力

ABFM が最も高い起電力を示した．DSC 起電力とそのABFM 中には図 1D のようにルチンよりチタンに強く分子立体構造の関係を，酸化チタン表面への吸着力の強吸着されるフラボノール配糖体の存在により，高い起電さから推察した．今後はカルボキシ基を有するフラボノ(6)力が観測されたと解釈した ．

イド類を用いた DSC 作成とアキタブキに含まれる未知③ルチン還元体の分子構造と起電力

フラボノール配糖体同定が課題である．

ルチン還元体は λmax 523〜533 nm へ長波長変化し，高い起電力が期待されたが，ルチンの起電力を下回った．
ルチン還元処理でフラボン環部位は次の変化を受ける．
‒1O‒2C=3C‒4C=O ルチン（図 3B 赤色）↓還元‒O =C‒CH‒C=O ルチン（還元体，図 3C 赤色）＋共役二重結合数の変化はないが水素化により‒2C=3C‒の平面性が失われ，3 位炭素は正四面体構造になるために（図 3C, 分子模型内の影）チタンへの吸着が阻害され，起電力が低下したと推定された．

文献
1) M. Yanagisawa, F. Korodi, J. He, L. Sun, V. Sundstron &B. Akemark:, 6, 217 (2002).
2) 荒川裕則：色素増感太陽電池，CMC 出版 (2007)．
3) 長野木曽青峰高等学校理数科平成 23 年度課題研究報告．
4) 大館鳳鳴高校化学部紀要ファンネル：アキタブキに含まれるフラボノイド成分と草木染め (2011).
5) 福田貴光：東北大学高等教育開発推進センター紀要，2，267 (2007).
6) 大館鳳鳴高校化学部紀要ファンネル：フラボノイド色素を用いた太陽電池の研究 (1) (2014).

（文責「化学と生物」編集委員）

Copyright © 2015 公益社団法人日本農芸化学会
DOI: 10.1271/kagakutoseibutsu.53.720

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