論文のタイトル: Intramolecular Triplet Diffusion Facilitates Triplet Dissociation in a Pentacene Hexamer（ペンタセン6量体における分子内三重項拡散による三重項解離の促進）
著者: Phillip M. Greißel, Dominik Thiel, Henrik Gotfredsen, Lan Chen, Marcel Krug, Ilias Papadopoulos, Mark Miskolzie, Tomás Torres, Timothy Clark, Mogens Brøndsted Nielsen, Rik R. Tykwinski,* and Dirk M. Guldi*
雑誌名: Angewandte Chemie International Edition
巻: Volume63, Issue8, e202315064
出版年: 2024
DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202315064
背景
太陽エネルギー変換は、熱化などの固有の損失プロセスにより効率が制限
従来の単接合太陽電池では、損失により全体の効率は詳細釣り合い限界と呼ばれる約33％の上限に制限
これらの損失を最小限に抑え、太陽電池の効率を高めることが強く求められている
高エネルギー光子のダウンコンバージョンは、エネルギー損失を削減する方法の1つ
分子レベルでは、MEGの対応するアナログはシングレットフィッション（SF）として知られている
2: シングレットフィッションの概要
SFは、1つの発色団の1つの励起一重項状態（S1）を、2つの発色団にまたがる2つの独立した励起三重項状態（T1 + T1）に変換するプロセスを伴う
原理的には、SFは光電流生成の倍増が可能
SFは太陽エネルギー利用に大きな可能性を提供し、太陽光発電にSF材料を実装することで、従来のシリコンベースの太陽電池の現在の限界を克服できる可能性がある
3: シングレットフィッションの課題
分子内SF（i-SF）に依存する材料はデバイスへの統合が容易であるが、効率的な三重項-三重項消滅（TTA）に悩まされる。
その結果、長寿命の励起三重項状態を生成することができず、半導体への効率的な電荷キャリア注入が損なわれる。
励起三重項状態の寿命を延ばすために、電子結合を調整することでTTAによる損失を減らすことができる。
方法
1: 研究デザイン
本研究では、分子内シングレットフィッション（i-SF）における相関三重項対1（T1T1）の迅速な形成と、自由三重項T1 + T1への効率的な分離という課題を克服するための分子システムHexPncを提示
HexPncは、中心のC3対称サブフタロシアニン（SubPc）コアに結合した3つのペンタセン二量体を組み合わせた樹状構造
各ペンタセン二量体には、高速i-SFを実現し、1（T1T1）を効率的に形成するための好ましいペンタセン配置を確保するために、メタフェニレンスペーサーが含まれる
2: 分光学的参照化合物
HexPncの光物理を理解するために、その挙動をDiPncの挙動と対比
DiPncは、赤道位置でSubPcに結合した単一のメタフェニレンペンタセン二量体に制限されており、したがって、対の両方の三重項が二量体に閉じ込められているため、1（T1T1）の空間的分離を促進することは不可能
SubPcは、DiPncにおいて分子内フェルスター共鳴エネルギー移動（i-FRET）を介してi-SFのための効率的な集光アンテナおよび増感剤として機能する
すべての証拠は、SubPcがHexPncでも同様の方法で動作し、SubPc吸収とその後のペンタセン二量体へのエネルギー移動を通じてi-SF応答を強化していることを示している
3: 実験手法
HexPncにおける三重項生成と失活を解明するために、超高速過渡吸収分光法、速度論モデリング、および量子化学計算を用いた。
量子化学計算は、HexPncの非対称立体配座体の光物理的関与を支持
この立体配座体では、2つのペンタセン二量体部分が分子内クラスターを形成するために相互作用し、3番目のペンタセン二量体は孤立
4: 計算手法
HexPncは、拡張システムにおける三重項拡散のi-SF性能への影響、特に1（T1T1）の経路を確立するための合成モデルシステムを構成
これらの発見は、i-SF三重項ダイナミクスの理解を実用アプリケーションにおけるi-SF材料の実装の前提条件である凝縮状態（固体、フィルムなど）における三重項拡散の促進という最終目標と関連付く
結果
1: 定常状態分光法
トルエンとベンゾニトリルの両方で定常状態吸収実験を実施
どちらの溶媒でも、DiPncの吸収スペクトルは、個々の成分のほぼ線形重ね合わせ
HexPncの吸収の特徴は、DiPncの吸収の特徴とは対照的で、アセチレン-π-リンカー-アセチレン部分を採用した溶液中のペンタセン誘導体の特徴である吸収の振動微細構造を反映していない
代わりに、HexPncの吸収スペクトルは、ドロップキャストされた6-13-ビス（トリイソブチルシリルエチニル）ペンタセン（TIBS-Pnc）のフィルムの特徴を強く反映している
2: HexPncの基底状態相互作用
HexPncの振動微細構造は、TIBS-Pnc2と比較して解像度が低く、0–0 *バンドに対するペンタセン中心の0–1 *遷移の振動子強度が大きく（H型凝集の特徴）、広がって見える
SubPc部分からの寄与はほとんど見分けられない
全体として、強い基底状態相互作用が存在することが推測され、これらの特徴が濃度非依存性であることを考えると、分子内ペンタセンスタッキングに由来すると推測される
3: 励起三重項状態ダイナミクス
フェムト秒過渡吸収（fsTA）実験を最初に実施して、ペンタセン関連のダイナミクス、つまり、三重項進化のダイナミクスを含むi-SFの初期段階を明らかにした
DiPncとHexPncのダイナミクスは、一見すると非常に似ている
どちらの溶媒でも、ペンタセンの最初の励起一重項状態（S1）に特徴的な性質がすぐに現れる
これらのスペクトル特性には、可視領域の約450 nmと590 nmでの励起状態吸収（ESA）と、600〜700 nmの範囲での基底状態ブリーチング（GSB）が含まれる
考察
1: 三重項生成における励起波長の影響
HexPncでは、ペンタセン吸収の高エネルギーエッジに励起すると（λexc≤633 nm）、三重項形成が加速される
SFはペンタセン誘導体では発エルゴン的であるため、より速い三重項生成は、Pnc2と比較して0–1 *遷移の振動子強度が大きいため、Pnc4サブユニットへのより顕著な励起にのみ起因し、過剰な振動量子子の励起には起因しない
したがって、励起波長の調整により、HexPncのPnc4またはPnc2発色団ユニットへの励起の比率を操作することが可能
2: HexPncの二重経路失活メカニズム
HexPncの励起状態失活は、Pnc2とPnc4の励起に由来する2つの異なるチャネルのいずれかに向けることが可能
2つのチャネルは、i-SFの全体的な速度と生成される自由三重項の収率が異なるため、これはHexPncのSFダイナミクスを調整する方法を構成する
これとは対照的に、DiPncは励起波長への依存性がない
3: 速度論モデリングからの洞察
HexPncの速度論モデリングは、Pnc2チャネルからの寄与がDiPncと同じようにモデル化されている
DiPncと同様に、相関三重項対1（T1T1）Pnc2は効率的なTTAの影響を受ける
一方では電子コヒーレンスの喪失、他方ではそれに続くスピン脱位相はPnc2には不利である
したがってPnc2への励起は、DiPncと比較して（T1 + T1）の全体的な収率にわずかな寄与しかもたらさない
対照的に、Pnc4チャネルは、M（T1…T1）Pnc4と（T1 + T1）の収率が大幅に高くなる
4: 三重項拡散の役割
ねじれ運動と回転運動に加えて、空間的分離の可能性、つまり、分子内クラスター内の発色団間を三重項がホッピングする可能性により、1（T1T1）Pnc4の電子結合の喪失が促進される
全体として、HexPncの（T1 + T1）の収率は、DiPncの収率と比較してかなり高く、トルエンとベンゾニトリルの両方で最大14％の値に達する
分光学的に区別できない複数の励起三重項状態種が存在するため複雑な速度論モデルであるが、実験データと得られた適合度の間の良好な一致は驚くべきものである
5: 研究の限界
HexPncの合成と分光学的特性評価に焦点を当て、デバイスへの応用については検討していない
結論
複数のペンタセン二量体を中央のSubPc部分に繋ぎ止めることは、固体システムを模倣した分子を設計する洗練された方法である
HexPncは、急速な分子内シングレットフィッション（i-SF）を駆動する強いペンタセン間結合を示し、それにもかかわらず、分子内三重項拡散を可能にすることで、DiPncと比較して（T1 + T1）の収率が大幅に向上
HexPnc内での分子内クラスター形成により、ねじれたスリップスタック配置で2つのペンタセンユニットを含む固体のような凝集体を含む非対称ジオメトリが生じる
このクラスターは、高速i-SFと高い励起三重項状態収率の両方の達成において重要な役割を果たし、共有結合系では通常矛盾する2つの望ましい目標を効果的に達成
慎重な分子設計の重要性を強調し、1（T1T1）の形成とそれに続く（T1 + T1）への解離速度を同時に最大化するための設計指針を提供
強い発色団間結合（1つのペア間の結合ホットスポット）を維持しながら、相関三重項対の空間的分離を可能にする、より大きなアレイにおけるSF発色団の配置は、これらの対立するプロセスの最適化に明らかに有益
将来の展望
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