やさしく解説：DSSC × シクロデキストリン（CD）— “分子カプセル”で色素の働きを整える【日本語版】

更新日：2025-11-24 / 対象：一般向け解説

まずは60秒で

• **DSSC（色素増感太陽電池）は、光を吸う色素が電子を半導体（TiO₂ など）**へ渡すことで発電します。
• シクロデキストリン（CD）はドーナツ形の分子カプセル。色素や補助分子を**包み込む（包接）**ことで、凝集を抑える・発光や励起寿命を伸ばす・界面を整えるなどの効果が期待できます。
• 近年の報告では、β/γ-CDの活用により、PCE（変換効率）やJscの向上、界面再結合の抑制、外部光での出力チューニングなどが示されています。

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1. CDはDSSCで何をしてくれる？（やさしく）

• 包接で“離す”：色素どうしが**ベタっと重なる（J/H会合）**のを防ぎ、本来の吸収・発光を引き出す。
• 界面を“守る”：溶媒や電解質から色素を保護→励起寿命が伸び、エネルギー移動/電子注入が有利に。
• 距離と配向を“整える”：FRET などの分子間エネルギー移動に適した距離（およそ1–10 nm）や向きを作りやすい。

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2. 代表的な知見（2024–2025）

2.1 SQ2×スピロピラン×CD：外部光で出力可変（共増感＋FRET）

• 系：受け手色素 SQ2 と、スピロピラン（SPNO₂） を共増感。さらに α/β/γ-CD を導入。
• 観察：紫外線で青→紫、可視で紫→緑に色変化。UV照射でPCE上昇／可視で低下＝外部光で発電出力を調節。
• 仕組み：SPNO₂ → SQ2 のFRETが主因（β-CDが最も高いFRET効率）。γ-CDはSQ2凝集を抑制し、**PCEを約1.2%→1.5%**へ改善。
• ポイント：CD機能層で凝集抑制＋距離制御が効き、**“光スイッチ×太陽電池”**の両立に道。

2.2 β-CD併用のアンスロン系DSSC：PCE・Jsc向上、Rct低下

• 系：アンスロン系コンポジットに β-CD を加えた低コスト白金フリーCE/共増感設計。
• 結果：PCE 2.65 → 4.12 %、Jsc 9.63 → 12.41 mA/cm²、Rct 30.26 → 27.81 Ω と改善。
• 解釈：β-CDが電荷分離を助け、界面再結合を抑制→キャリア寿命延長・抵抗損失低減に寄与。

参考（周辺分野）：β-CDはペロブスカイト太陽電池でもPbI₂残渣の結晶化抑制と欠陥パッシベーションに寄与し、PCE ≈ 21.36%、85%RHで1170時間でもバンドギャップ変化 ~3 meVと安定化の報告（仕組みの一般性の示唆）。

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3. 設計の考え方（現場向けミニ指針）

• 凝集抑制：β/γ-CDで色素の会合をほどく→吸収/発光の本来性能を回復。
• FRET最適化：ドナー発光 × 受け手吸収の重なりを確保し、CDで距離（1–10 nm）と配向を整える。
• 界面工学：CD機能層＋共吸着剤（例：CDCA）で過密吸着を回避、TiO₂表面の電荷移動経路を確保。
• メトリクス：TA/時間分解PLで受け渡しの速さ、EISでRct/再結合、J–VでJsc/Voc/FFを追う。

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4. 実験Tips（はじめのセット）

• スクリーニング：CDの種類（α/β/γ）と濃度比を振り、UV–Vis/PLで会合解消とスペクトル回復を確認。
• プロトコル：同時吸着 vs 段階吸着を比較（FRET効率や表面被覆が変わる）。
• 電解質：I⁻/I₃⁻ と Co錯体系を比較し、Voc/Jsc/再結合の最適点を探索。

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5. よくある質問

Q. どのCDを選べばよい？
A. β-CDはまずの基準。サイズが大きい色素・フォトクロミック分子にはγ-CDも検討。結合定数とPL回復を指標に。

Q. デバイス中でも包接は効く？
A. 電極表面や酸化物粒子上でも寿命延長・ET/注入促進が報告。溶液条件から最適化を。

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参考文献（ダイジェスト・2024–2025中心）

• Ejima R.; Ono K.; Hara M., J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 2025, 469, 116531. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2025.116531
• Shahat M. A. et al., J. Inorg. Organomet. Polym. Mater., 2025. https://doi.org/10.1007/s10904-025-03944-9
• Ferdowsi P. et al., J. Mater. Chem. A, 2024, 12, 15837–15846. https://doi.org/10.1039/d4ta01741b （ペロブスカイトの例・一般性の参考）

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Gentle Guide: DSSCs × Cyclodextrins — Molecular “Capsules” that Tame Aggregation and Help Energy/Electron Transfer【English】

Updated: 2025-11-24 / For general readers

60-second take

• DSSCs harvest light with sensitizer dyes that inject electrons into TiO₂.
• Cyclodextrins (CDs) are donut-shaped molecular hosts. By including dyes or auxiliaries, they can reduce aggregation, recover spectra/PL, extend lifetimes, and improve interfaces.
• Recent reports (2024–2025) show β/γ-CD can enhance PCE/Jsc, lower Rct, and even enable light-tunable output via co-sensitization + FRET.

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1) What do CDs do in DSSCs?

• Inclusion separates dyes to undo H/J aggregation, restoring intrinsic absorption/emission.
• Protective micro-environment: longer excited-state lifetimes → easier energy transfer/electron injection.
• Distance/orientation control: supports FRET at ~1–10 nm separations.

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2) Key findings (2024–2025)

2.1 SQ2 + spiropyran + CDs: Light-tunable output via co-sensitization & FRET

• System: SQ2 (acceptor) with spiropyran (SPNO₂); α/β/γ-CD introduced.
• Observation: UV turns electrode blue→purple, visible purple→green. PCE increases after UV and decreases under visible → externally tunable output.
• Mechanism: FRET from SPNO₂ to SQ2 dominates; β-CD gives the highest FRET efficiency, while γ-CD suppresses SQ2 aggregation and improves PCE ≈ 1.2%→1.5%.
• Takeaway: CD functional layers assist aggregation control + nm-scale spacing, enabling “photoswitchable DSSCs.”

2.2 β-CD with anthrone-based DSSCs: Higher PCE/Jsc, lower Rct

• System: anthrone composites with β-CD (Pt-free CE/co-sensitizer concept).
• Result: PCE 2.65→4.12 %, Jsc 9.63→12.41 mA cm⁻², Rct 30.26→27.81 Ω.
• Interpretation: β-CD aids charge separation, suppresses interfacial recombination, and lowers resistive losses.

Side note (perovskites): β-CD suppresses residual PbI₂ crystallization/defects, yielding PCE ≈ 21.36% and stable bandgap (Δ≈3 meV) after 1170 h @85% RH — suggests general utility of CD supramolecular control.

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3) Design playbook

• De-aggregation with β/γ-CD to recover dye properties.
• FRET-friendly geometry: ensure donor emission × acceptor absorption overlap; use CD to set 1–10 nm distances and orientation.
• Interface engineering: CD layers + co-adsorbents to avoid overcrowding and keep charge pathways open.
• Metrics: TA/TRPL (transfer & lifetimes), EIS (Rct/recombination), J–V (Jsc/Voc/FF).

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References (digest, 2024–2025)

• Ejima R.; Ono K.; Hara M., J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 2025, 469, 116531. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2025.116531
• Shahat M. A. et al., J. Inorg. Organomet. Polym. Mater., 2025. https://doi.org/10.1007/s10904-025-03944-9
• Ferdowsi P. et al., J. Mater. Chem. A, 2024, 12, 15837–15846. https://doi.org/10.1039/d4ta01741b (perovskite context)