CN101185192B - 色素增感的光电变换元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及使用由式(1)(式(1)中,n表示0至7的整数;R1表示可具有取代基的芳香族残基或脂肪族烃残基、酰基;X表示包括碳数2至4的可具有取代基的烃残基;Y表示氢原子、可具有取代基的芳香族残基或脂肪族烃残基、羧基等,优选羧基;Z表示可具有取代基的芳香族残基或脂肪族烃残基、酰基;A1、A2、及A3各自独立地表示氢原子、可具有取代基的芳香族残基或脂肪族烃残基等,优选氢原子;苯环a可具有上式所记载以外的取代基)所示的次甲基类色素进行增感的氧化物半导体微粒的光电变换元件,以及利用该光电变换元件的太阳能电池,因此可以廉价地得到变换效率良好的太阳能电池。
Description
技术领域
本发明涉及一种以有机色素增感的光电变换元件及太阳能电池,具体而言,涉及一种光电变换元件以及利用该元件的太阳能电池,所述光电变换元件,其特征在于,使用由具有特定骨架的次甲基类色素进行增感的氧化物半导体微粒。
背景技术
作为代替石油、煤等石化燃料的能源,利用太阳光的太阳能电池备受瞩目。目前,关于使用结晶或非晶硅(amorphous silicon)的硅太阳能电池、或利用使用了镓、砷等的化合物半导体的太阳能电池等,对其高效率化等开发研究正在积极进行。但是,它们由于制造所需的能量及成本高,所以存在难以广泛使用的问题。另外,已知使用以色素增感的半导体微粒的光电变换元件、或使用该元件的太阳能电池,且公开了其制造材料、制造技术(参照专利文献1、非专利文献1、非专利文献2)。此光电变换元件使用氧化钛等比较廉价的氧化物半导体制造,与以往使用硅等的太阳能电池比较,可以得到成本更便宜的光电变换元件,另外由于得到彩色的太阳能电池等原因而受到注目。但是,为了得到变换效率高的元件,使用了钌类络合物作为增感色素,色素本身的成本高,且在其供应上也存在问题。另外,也尝试使用有机色素作为增感色素,但变换效率、稳定性、耐用性低等而存在尚未达到实用化的现状,期待进一步提高变换效率(参照专利文献2)。另外,也可以列举至今使用次甲基类色素制成光电变换元件的例子,尤其是关于香豆素类色素(参照专利文献3)或部花青素(merocyanine)类色素的比较研究例不断增加(参照专利文献4、5、6、7),但期待更低成本化、稳定性及变换效率的提高。
专利文献1:日本专利第2664194号公报
专利文献2:WO2002011213号公报
专利文献3:日本特开2002-164089号公报
专利文献4:日本特开平8-81222号公报
专利文献5:日本特开平11-214731号公报
专利文献6:日本特开2001-52766号公报
专利文献7:日本特开2003-59547号公报
非专利文献1:B.O’Regan and M.Graetzel Nature,第353卷,737页(1991年)
非专利文献2:M.K.Nazeeruddin,A.Kay,I.Rodicio,R.Humphry-Baker,E.Muller,P.Liska,N.Vlachopoulos,M.Graetzel,J.Am.Chem,Soc.,第115卷,6382页(1993年)
非专利文献3:W.Kubo,K.MuraKoshi,T.Kitamura,K.Hanabusa,H.Shirai,and S.Yanagida,Chem.Lett.,1241页(1998年)
发明内容
在使用以有机色素进行增感的半导体的光电变换元件中,正在寻求开发使用廉价的有机色素、稳定且变换效率高、且实用性高的光电变换元件。
本发明人等为解决上述的课题,经努力研究,结果发现通过使用具有特定结构的次甲基类色素而使半导体微粒增感制成光电变换元件,可以得到稳定且变换效率高的光电变换元件,从而完成了本发明。
即,本发明涉及:
(1)一种光电变换元件,其使用由式(1)表示的次甲基类色素进行增感的氧化物半导体微粒;
(式(1)中,n表示0至7的整数。R1表示可具有取代基的芳香族残基、可具有取代基的脂肪族烃残基或酰基。X为与结合在苯环a上的氮原子一起形成杂环的连结基团,表示可具有取代基的包括碳数2至4的饱和或不饱和的烃残基。Y表示氢原子、可具有取代基的芳香族残基、可具有取代基的脂肪族烃残基、羧基、磷酸基、磺酸基、氰基、酰胺基或烷氧基羰基。Z表示可具有取代基的芳香族残基、可具有取代基的脂肪族烃残基、或酰基。A1、A2及A3各自独立地表示可具有取代基的芳香族残基、可具有取代基的脂肪族烃残基、羟基、磷酸基、氰基、氢原子、卤原子、羧基、碳酰胺基、烷氧基羰基、芳基羰基或酰基。另外,n为2以上且A2及A3各自存在多个时,各个A2及各个A3之间可以相同或不同。另外,n为0以外时,A1和/或A2和/或A3中的多个可以形成可具有取代基的环。苯环a结合在A3结合的碳原子上,可具有选自卤原子、酰胺基、羟基、氰基、硝基、烷氧基、酰基、取代或未取代的氨基、可具有取代基的脂肪族烃残基及可具有取代基的芳香族残基中的1至3个取代基作为式(1)所记载的X及氮原子以外的取代基。另外,该取代基存在多个时,这些取代基可以互相或与A1、A2及A3结合形成可具有取代基的环。);
(2)如(1)所述的光电变换元件,其中,式(1)所示的次甲基类色素中的Z为可具有取代基的芳香族残基;
(3)如(2)所述的光电变换元件,其中,式(1)所示的次甲基类色素为式(2)所示的次甲基类色素,
(式(2)中,n、R1、Y、A1、A2、A3及苯环a分别与式(1)中的定义相同。另外,R2至R7各自独立地表示氢原子、可具有取代基的芳香族残基、可具有取代基的脂肪族烃残基或卤原子。另外R2至R7可互相结合而形成可具有取代基的环。苯环b可具有选自卤原子、酰胺基、羟基、氰基、硝基、磺酸基、羧基、磷酸基、烷氧基、酰基、取代或未取代的氨基、可具有取代基的脂肪族烃残基及可具有取代基的芳香族残基中的1个至5个取代基,另外,存在多个取代基时,这些取代基可互相结合而形成可具有取代基的环。);
(4)如(3)所述的光电变换元件,其中,式(2)所示的次甲基类色素为式(3)所示的次甲基类色素,
(式(3)中,n、R1、A1、A2、A3及苯环a分别与式(1)中的定义相同。);
(5)如(1)至(4)中任一项所述的光电变换元件,其中,式(1)至式(3)中的n为0至6;
(6)如(1)至(5)中任一项所述的光电变换元件,其中,式(1)至式(3)中的R1为可具有取代基的脂肪族烃残基;
(7)如(6)所述的光电变换元件,其中,可具有取代基的脂肪族烃残基为可具有取代基的碳数5至36的脂肪族烃残基;
(8)如(1)至(5)中任一项所述的光电变换元件,其中,式(1)至式(3)中的R1为可具有取代基的芳香族烃残基;
(9)如(8)所述的光电变换元件,其中,可具有取代基的芳香族烃残基为具有碳数1至36的脂肪族烃残基作为取代基的芳香族烃残基;
(10)一种光电变换元件,其含有由式(1)所示的次甲基类色素的一种以上、与金属络合物和/或具有式(1)以外的结构的有机色素进行增感氧化物半导体微粒;
(11)如(1)至(10)中任一项所述的光电变换元件,其中,氧化物半导体微粒含有二氧化钛、氧化锌或氧化锡;
(12)如(1)至(11)中任一项所述的光电变换元件,其中,由式(1)所示的次甲基类色素进行增感的氧化物半导体微粒,是在包合物存在下、在氧化物半导体微粒上负载式(1)所示的次甲基类色素而得到的物质;
(13)如(1)至(12)中任一项所述的光电变换元件,其中,由次甲基类色素进行增感的氧化物半导体微粒,为在氧化物半导体微粒的薄膜上负载色素而得到的物质;
(14)含有(1)至(13)中任一项所述的光电变换的元件太阳能电池;
(15)如上述式(1)表示的次甲基类色素;
(16)如(15)中所述的次甲基类色素,其中,式(1)表示的次甲基类色素为前述式(2)表示的次甲基类色素;
(17)如(16)中所述的次甲基类色素,其中,式(2)表示的次甲基类色 素为前述式(3)表示的次甲基类色素;
(18)一种光电变换元件,其中,在氧化物半导体薄膜电极的半导体薄膜面上负载前述式(1)表示的次甲基类色素;
(19)如(1)中所述的光电变换元件,其中,在式(1)中,n为0至6;R1为碳数5至36的脂肪族烃残基、具有碳数1至36的烃残基作为取代基的苯基、或包括含有芳香环(优选苯环)的2至3个5元或6元环的碳数9至14的芳香族烃残基(环中可以含有1个氮原子,而且也可以由作为取代基的碳数1至8的烷基取代),X为-CH2CH2-或-(CH2)3-、环戊烷-1,2-二基或苯-1,2-二基;Y为羧基;Z为苯基;A1、A2及A3全部为氢原子,或者A1与A3、或相邻的A2之间或A3之间结合而成为包含碳数2至3的连结基团或包含碳数2的脂肪族链与氧原子的连结基团,从而形成一个5至6员环(该环可以具有甲基作为取代基),并且其余的A1、A2及A3全部为氢原子,或者A2与越过1个间隔的A3进行结合而成为包括选自硫原子、氮原子及氧原子中的一个杂原子的连结基团,从而形成5元环,且该5元环形成1至3个,并且其余的A1、A2及A3全部为氢原子;并且苯环a不具有式(1)所示的X及氮原子以外的取代基;
(20)如(19)中所述的光电变换元件,其中,n为0至4;R1为碳数6至18的烷基、具有碳数1至8的烃残基作为取代基的苯基、在氮原子上具有碳数1至8的烃残基作为取代基的咔唑-2-基(在2位与氮原子结合)、可具有9,9-二甲基取代的芴-2-基;A1、A2及A3全部为氢原子,或A2与越过1个间隔的A3进行结合而成为包括硫原子的连结基团,从而形成噻吩环,该噻吩环为1个,并且其余的A1、A2及A3全部为氢原子;
(21)如(19)中所述的光电变换元件,其中,n为0至2;R1为碳数6至18的烷基、具有碳数1至8的烷基作为取代基的苯基、或可具有 9,9-二甲基取代的芴-2-基(在2位与氮原子结合);X为-CH2CH2-或-(CH2)3-;A1、A2及A3全部为氢原子,或A2与越过1个间隔的A3进行结合而成为包括硫原子的连结基团,从而形成噻吩环,该噻吩环为1个,并且其余的A1、A2及A3全部为氢原子;
(22)以下式所示的新型醛,
(式中n为0至2的整数,Xa为-CH2CH2-或-(CH2)3-;R1为碳数6至18的烷基、或可具有9,9-二甲基取代的芴-2-基;A2及A3全部为氢原子,或n为2时第一个A2与最后的A3进行结合而成为包括硫原子的连结基团从而形成噻吩环的情况下,其余的A2及A3为氢原子;苯环a不具有式(1a)所示的Xa及氮原子以外的取代基)。
通过使用本发明的含有负载式(1)的次甲基类色素而进行增感的氧化物半导体微粒的光电变换元件,可以得到光电变换效率高且稳定性好的太阳能电池。另外,通过并用本发明中必须的次甲基类色素和其他的色素而使氧化物半导体微粒增感,可进一步提升光电变换效率。本发明中使用的式(1)的次甲基类色素,为新型化合物,是在色素增感光电变换元件的调制等中有用的化合物。
具体实施方式
以下,详细说明本发明。本发明的光电变换元件,使用由下述式(1)所示的新型次甲基类色素进行增感的氧化物半导体。
式(1)中的n为0至7的整数,优选为0至6,更优选为0至4,另外根据情况最优选为0至2。
式(1)中的R1表示可具有取代基的芳香族残基、可具有取代基的脂肪族烃残基或酰基,优选可具有取代基的芳香族残基及可具有取代基的脂肪族烃残基。更优选R1是选自可具有碳数1至36的烃残基作为取代基的苯基、包括含有芳香环(优选苯环)的2至3个5元或6元环的碳数9至14的芳香族烃残基(环中可含有1个氮原子、且可由作为取代基的碳数1至8的烷基取代)、及碳数5至36脂肪族烃残基中的基团。
在上述中,“可具有取代基的芳香族残基”中的芳香族残基,是指从芳环除去1个氢原子的基团,芳环可举例如苯、萘、蒽、菲、芘、苝、涤纶等芳香族烃环、茚、薁、吡啶、吡嗪、嘧啶、吡唑、吡唑烷、噻唑烷、唑烷、吡喃、色烯(chromene)、吡咯、吡咯烷、苯并咪唑、咪唑啉、咪唑烷、咪唑、吡唑、三唑、三嗪、二唑、吲哚啉、噻吩、噻吩并噻吩、呋喃、唑、二唑、噻嗪、噻唑、吲哚、苯并噻唑、苯并噻二唑、萘并噻唑、苯并唑、萘并唑、假吲哚(Indolenine)、苯并假吲哚、吡嗪、喹啉、喹唑啉等杂环型芳环、芴、咔唑等的稠合型芳环等,优选为具有碳数5至6的芳环(芳环及含有芳环的稠环)的芳香族残基。具体而言,苯环及上述例示的芳环中,优选包括2至3个环的杂环型或稠合型芳环等。苯环的情况下,可以不取代,但优选苯环上具有碳数1至36的烃残基、优选脂肪族烃残基作为取代基。作为优选的可具有取代基的芳香族残基,可以列举对应于上述的芳环的芳香族基团。可以举例如可具有碳数1至36的烃残基作为取代基的苯基、或包括含有芳环(优选苯环)的2至3个5元或6元环的碳数9至14的芳香族烃残基(环中可含有1个氮原子,也可以由作为取代基的碳数1至8的烷基取代)。
作为上述苯基的优选者,可以列举取代基的烃残基为碳数1至36的脂肪族烃残基,更优选碳数为1至18的饱和及不饱和的直链、支链 的脂肪族烃残基。根据情况,例如在制造的容易性、稳定性等方面,优选碳数1至8或1至4的烷基取代苯基。
作为优选的上述碳数9至14的芳香族烃残基,可以列举可具有9,9-二甲基取代的芴-2-基、在氮原子上具有碳数1至8的烷基取代的咔唑等。
在上述中,作为“可具有取代基的脂肪族烃残基”中的脂肪族烃残基,可以列举饱和及不饱和的直链、支链的烷基、环状的烷基,优选碳数1至36的饱和及不饱和的直链、支链的烷基,进一步优选碳数6至18的饱和及不饱和的直链、支链的烷基。另外,作为环状的烷基,可以列举例如碳数3至8的环烷基等。作为这些的具体例子,可以列举甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基、辛基、十八烷基、环丙基、环己基、乙烯基、丙烯基、戊烯基、丁烯基、己烯基、己二烯基、异丙烯基、异己烯基、环己烯基、环戊二烯基、乙炔基、丙炔基、戊炔基、己炔基、异己炔基、环己炔基等。
作为R1,优选碳数5至36的脂肪族烃残基,更优选碳数6至18的饱和及不饱和的直链、支链的脂肪族烃残基。R1可以在这些脂肪族烃残基上具有后述的取代基,但一般优选未取代的基团,更优选未取代的烷基。
作为上述酰基,可以列举例如碳数1至10的烷基羰基、苯基羰基、萘基羰基等芳基羰基等,优选可以列举碳数1至4的烷基羰基。作为其具体例子,可以列举乙酰基、三氟甲基羰基、五氟乙基羰基、丙酰基等。
作为在“可具有取代基的芳香族残基”中的取代基及“可具有取代基的脂肪族烃残基”中的取代基,并无特别限制,可以列举磺酸基、氨磺酰基、氰基、异氰基、氰硫基、异氰硫基、硝基、亚硝酰基、卤 原子、羟基、磷酸基、磷酸酯基、取代或未取代的氨基、可被取代的巯基、可被取代的酰胺基、可具有取代基的烷氧基、可具有取代基的芳氧基、羧基、氨基甲酰基、酰基、醛基、甲氧基羰基、乙氧基羰基、丁氧基羰基等所示的烷氧基羰基等的取代羰基、可具有取代基的芳香族残基、可具有取代基的脂肪族烃残基等。
在此作为卤原子,可以列举氟、氯、溴、碘等原子;作为磷酸酯基,可以列举磷酸(碳数1至4的)烷基酯基等;取代或未取代的氨基可以列举氨基、一或二甲基氨基、一或二乙基氨基、一或二丙基氨基等烷基取代氨基、一或二苯基氨基、一或二萘基氨基等芳香族取代氨基、一烷基一苯基氨基等烷基与芳香族烃残基一个一个取代的氨基或苄氨基、或乙酰基氨基、苯乙酰基氨基等;作为可被取代的巯基,可列举巯基、烷基巯基、苯基巯基等;作为可被取代的酰胺基,可以列举酰胺基、烷基酰胺基、芳基酰胺基等。在此烷氧基,是指由前述脂肪族烃残基与氧原子之间结合所构成的基团,可以列举例如甲氧基、乙氧基、丁氧基、叔丁氧基等;另外,作为可具有取代基的芳氧基,可以列举苯氧基、萘氧基等;它们也可以具有与“可具有取代基的芳香族残基”项中所述相同的取代基。另外,作为酰基,可以列举例如碳数1至10的烷基羰基、芳基羰基等,优选碳数1至4的烷基羰基,具体可以列举乙酰基、三氟甲基羰基、五氟乙基羰基、丙酰基等。另外作为烷氧基羰基,可以列举例如碳数1至10的烷氧基羰基等。
X表示包括碳数2至4的连结基团,该连结基团可以具有取代基,与苯环a及结合在该苯环a上的氮原子一起形成杂环。连结基团优选包括可具有取代基的碳数为2至4的饱和或不饱和的烃残基,更优选可具有取代基的碳数为2至3,进一步优选可具有取代基的碳数为3的饱和或不饱和的烃残基。
具体列举优选的X,为-CH2CH2-或-(CH2)3-、环戊-1,2-二-基(化合物编号192等表示的情况)或苯-1,2-二-基(化合物编号205至207等表 示的情况)等,更优选-CH2CH2-或-(CH2)3-。
Y表示氢原子、可具有取代基的芳香族残基、可具有取代基的脂肪族烃残基、羧基、磷酸基、磺酸基、氰基、可具有取代基的酰胺基或烷氧基羰基,优选羧基、磷酸基、磺酸基、可具有取代基的酰胺基或烷氧基羰基,更优选羧基或磷酸基,特别优选羧基。可具有取代基的芳香族残基、可具有取代基的脂肪族烃残基、可具有取代基的酰胺基及烷氧基羰基,分别与前述“可具有取代基的芳香族残基”及“可具有取代基的脂肪族烃残基”中的取代基表示相同。
Z表示可具有取代基的芳香族残基、可具有取代基的脂肪族烃残基或酰基,优选可具有取代基的芳香族残基,更优选可具有取代基的苯基,最优选未取代的苯基。
A1、A2、及A3各自独立,表示可具有取代基的芳香族残基、可具有取代基的脂肪族烃残基、羟基、磷酸基、氰基、氢原子、卤原子、羧基、碳酰胺基、烷氧基羰基、芳基羰基或酰基,优选氢原子、可具有取代基的芳香族残基、可具有取代基的脂肪族烃残基、氰基、或卤原子,进一步优选氢原子,作为可具有取代基的芳香族残基、可具有取代基的脂肪族烃残基、卤原子、烷氧基羰基、芳基羰基或酰基,分别与前述“可具有取代基的芳香族残基”及“可具有取代基的脂肪族烃残基”中的取代基表示相同。另外,n为2以上且A2及A3存在多个时,各个A2及各个A3可互为相同或相异。
另外,n为0以外时,可以多个A1和/或A2和/或A3形成可具有取代基的环,另外这些也可以随苯环a而形成可具有取代基的环。作为可形成的环的例子,可以列举不饱和烃环或杂环。作为以A1、A2及A3 的任一者的多个所形成的环,可以列举通过包括以A1、A2及A3的任一者多个结合形成的碳数2至3个的脂肪族烃链的连结基团、包括碳数为2的脂肪族烃链与氧原子的连结基团、或包括硫原子、氮原子、 氧原子等中的一个杂原子的连结基团,所形成的5元环。具体可以列举通过仅包括化合物编号150至158中包含的碳原子的5元至6元脂肪族烃环、含有一个氧原子的6元环等杂环、包括化合物编号171至183中包含的一个杂原子的连结基团,所形成的5元环等。另外,作为A1、A2及A3的任一者随苯环a而形成的可具有取代基的环,可以列举例如化合物编号184至190中包含的A3与苯环a所形成的、含有氧原子作为取代基、且含有氧原子的6元环等。
在此作为不饱和烃环的例子,可以列举苯环、萘环、蒽环、菲环、芘环、茚环、薁环、芴环、环丁烯环、环己烯环、环戊烯环、环己二烯环、环戊二烯环等;作为杂环的例子,可以列举吡啶环、吡嗪环、吡哌环、吲哚啉环、呋喃环、噻吩环、吡喃环、唑环、噻唑环、噻二唑环、二唑环、吲哚环、苯并噻唑环、苯并唑环、喹啉环、咔唑环、苯并吡喃环等。另外作为其中优选者,可以列举苯环、环丁烯环、环戊烯环、环己烯环、吡喃环、呋喃环、噻吩环等。它们如前述所述,可以具有取代基,其取代基可以列举与前述“可具有取代基的芳香族残基”及“可具有取代基的脂肪族烃残基”中的取代基项所述相同的取代基。可形成的环为杂环且它们具有羰基、硫羰基等时,可以形成环状酮或环状硫酮等,这些环也可以具有取代基。此时作为取代基,可以列举与前述“可具有取代基的芳香族残基”及“可具有取代基的脂肪族烃残基”中的取代基项所述相同的取代基。
作为优选的A1、A2及A3的组合,可以列举:(1)A1、A2及A3全部为氢原子,或(2)在A1与A3、或相邻的A2之间或A3之间通过包括碳数2至3的连结基团或碳数2的脂肪族链与氧原子的连结基团结合,而形成一个5至6元环(该环可具有甲基作为取代基),其余的A1、A2 及A3全部为氢原子、或(3)越过1个间隔的A2与A3之间通过选自硫原子、氮原子及氧原子中的一个杂原子进行结合,而形成1至3个5元环,其余的A1、A2及A3全部为氢原子的情况等。作为更优选的组合,为上述(1)时,即A1、A2及A3全部为氢原子的情况、或为上述(3) 时,即越过1个间隔的A2与A3通过硫原子进行结合而形成1个或2个5元环,其余的A1、A2及A3全部为氢原子的情况(具体为化合物编号171、179、312等的情况)。优选形成的环不具有取代基的情况。
苯环a可具有式(1)所示的X及N以外的取代基、即选自卤原子、酰胺基、羟基、氰基、硝基、烷氧基、酰基、取代或未取代的氨基、可具有取代基的脂肪族烃残基及可具有取代基的芳香族残基中的1个至3个取代基。作为卤原子、酰胺基、烷氧基、酰基、取代或未取代的氨基、可具有取代基的脂肪族烃残基及可具有取代基的芳香族残基,分别与前述“可具有取代基的芳香族残基”及“可具有取代基的脂肪族烃残基”中的取代基表示相同。多个取代基存在时,这些取代基可互相与前述A1和/或A2和/或A3结合而形成与可具有取代基的环相同的环。在此作为可具有取代基的环中的取代基,与前述“可具有取代基的芳香族残基”及“可具有取代基的脂肪族烃残基”中的取代基表示相同。
通常,苯环a优选为不具有式(1)所示的X及氮原子以外的取代基。
在式(1)所示的次甲基类色素中,上述各标号的说明中,选择优选者中的任一种,或优选者之间的组合,为优选的化合物,更优选者与优选者之间的组合,为更优选的化合物,更优选者之间的组合为进一步优选的化合物。
例如,以式(1)所示的次甲基类色素中,优选以下述式(2)所示的次甲基类色素。
式(2)中的n、R1、Y、A1、A2、A3及苯环a,分别与式(1)表示相同,优选的情况,更优选的情况等也相同。另外,R2至R7各自独立,表示氢原子、可具有取代基的芳香族残基、可具有取代基的脂肪族烃残基或卤原子,优选为氢原子或可具有取代基的脂肪族烃残基的情况。更优选R2至R7全部为氢原子,或R2及R3为可具有取代基的脂肪族烃残基时,R4至R7为氢原子的情况。最优选一般R2至R7全部为氢原子的情况。在此关于可具有取代基的芳香族残基及可具有取代基的脂肪族烃残基,分别与前述“可具有取代基的芳香族残基”及“可具有取代基的脂肪族烃残基”表示相同。另外作为卤原子,可以列举氟、氯、溴、碘等原子。另外,R2至R7可互相结合而形成可具有取代基的环。作为可具有取代基的环中的取代基,与前述“可具有取代基的芳香族残基”及“可具有取代基的脂肪族烃残基”中的取代基项所述表示相同。
苯环b可具有选自卤原子、可具有取代基的酰胺基、羟基、氰基、硝基、磺酸基、羧基、磷酸基、烷氧基、酰基、取代或未取代的氨基、可具有取代基的脂肪族烃残基及可具有取代基的芳香族残基中的1个至5个取代基。在此卤原子、可具有取代基的酰胺基、烷氧基、酰基、取代或未取代的氨基,分别与前述“可具有取代基的芳香族残基”及“可具有取代基的脂肪族烃残基”中的取代基表示相同。另外可具有取代基的芳香族残基及可具有取代基的脂肪族烃残基,分别与前述“可具有取代基的芳香族残基”及“可具有取代基的脂肪族烃残基”表示相同。多个取代基存在时,这些取代基可互相结合而形成可具有取代基的环。
作为可具有取代基的环中的取代基,与前述“可具有取代基的芳香族残基”及“可具有取代基的脂肪族烃残基”中的取代基表示相同。一般苯环b优选未取代。
在式(2)所示的次甲基类色素中,上述各标号的说明中,选择优选者中的任一种,或优选者之间的组合,为优选的化合物,更优选者与优选者之间的组合,为更优选的化合物,更优选者之间的组合为进一步优选的化合物。
例如,以式(2)所示的次甲基类色素更优选以下述式(3)所示的次甲基类色素。
式(3)中的n、R1、A1、A2、A3及苯环a,分别与式(1)表示相同,优选的情况,更优选的情况等也相同。
前述式(1)至式(3)所示的次甲基类色素,具有以羧基、磷酸基、羟基、磺酸基等的酸性基团作为取代基时,可分别形成盐,作为盐的例子,可以列举例如与锂、钠、钾、镁、钙等碱金属或碱土类金属等的盐,或者可以列举例如与四甲基铵、四丁基铵、吡啶、咪唑、哌嗪 、哌啶等的季铵等盐。
式(1)至式(3)所示的次甲基类色素,可得到顺式体、反式体、外消旋体等的结构异构体,但无特别限定,任何一种的异构体均可以良好地作为本发明中的光增感用色素使用。
式(1)所示的次甲基类色素,例如可以根据下述反应式所示的方法 进行制造。即,通过将具有式(4)所示的活性亚甲基的化合物、与以式(5)所示的羰基化合物,必要时在苛性钠、甲醇钠、醋酸钠、二乙胺、三乙胺、哌啶、哌嗪、二氮杂二环十一烯等碱性催化剂的存在下,在甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇等醇类或二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮等非质子性极性溶剂或甲苯、醋酸酐、乙腈等的溶剂中、在20℃至180℃,优选在50℃至150℃下进行缩合,可以得到式(1)的次甲基类色素。另外,具有式(4)所示的活性亚甲基的化合物,可以很容易从市场中获得。另外,式(5)所示的羰基化合物如无法从市场中获取时,可以如下获得。例如,X为三甲撑时的化合物,可以通过1,2,3,4-四氢喹啉进行N-烷基化,在R1导入烷基后,再进行甲酰化等已知方法而获得,即使在其它的情况中,也可以依据此情况而获得。
作为上述式(4)所示的化合物,可以列举例如1-苯基-2-羧基-5-吡唑啉酮、1-苯基-2-甲氧基羰基-5-吡唑啉酮、1-苯基-3-羧基-5-吡唑啉酮、1-(4-磺基苯基)-3-甲基-5-吡唑啉酮、1-(4-磺基苯基)-3-羧基-5-吡唑啉酮、1-苯基-3-乙氧羰基-5-吡唑啉酮等。另外,作为式(5)所示的代表性化合物,可以列举例如1-辛基-6-四氢喹啉醛、3-(1-十八烷基-四氢喹啉-6-基)乙烯基醛、1,2,3,4-四氢-1-(9,9-二甲基-9H-芴-2-基)喹啉-6-丙烯醛、5-[1-(9,9-二甲基-9H-芴-2-基)吲哚啉-5-基]噻吩-2-甲醛、3-(1,2,3,4-四氢-1-对-甲苯基喹啉-6-基)丙烯醛、1,2,3,4-四氢-1-(9,9-二甲基-9H-芴-2-基)喹啉-6-甲醛等。
以下式(1)所示的次甲基类色素中,下述式(6)所示的色素的n的数目及各取代基的具体例子如表1及表2所示。另外,在表1及表2中Ph代表苯基。
(式中n表示0至7的整数,Y2表示氢原子、低级(C1至C4)烷基、羧基、磷酸基、磺酸基、或低级(C1至C4)烷氧基羰基(酸性基团时,也可以为其盐,例如碱金属盐),优选羧基。A4为氢原子、低级(C1至C4)烷基(优选甲基)、或苯基,优选为氢原子,A5及A6各自独立,表示氢原子、(C1至C8)烷基、苯基、卤原子(优选氯原子或溴原子)、或氰基,优选氢原子,R8至R12各自独立,表示氢原子、(C1至C8)烷基、苯基、卤原子(优选氯原子或溴原子)、氰基、羧基、磷酸基、磺酸基、或低级(C1至C4)烷氧基(优选甲氧基)、低级(C1至C4)酰基(优选乙酰基)、酰胺基、氨基、一或二(C1至C4)烷基氨基、或硝基,优选全部为氢原子,R13表示氢原子、低级(C1至C4)烷基、卤原子、(C1至C8)烷氧基、羟基,优选氢原子,R14表示氢原子、(C1至C18)烷基或苯基(优选(C6至C18)烷基)、R15及R16各自独立,表示氢原子或(C1至C8)烷基,优选氢原子。
[表1]
[表2]
式(1)表示的次甲基类色素的其它具体例子,如下所示。
本发明的色素增感光电变换元件,是以通式(1)表示的次甲基类色素进行增感的光电变换元件,例如,使用氧化物半导体微粒在衬底上设置氧化物半导体微粒的薄膜,然后在此薄膜上负载式(1)的次甲基类色素而得到的光电变换元件。
在本发明中,作为设置氧化物半导体微粒的薄膜的衬底,优选其表面为导电性的,这样的衬底可以很容易从市场上获得。例如可以使用在玻璃、或聚对苯二甲酸乙二酯、聚醚砜等具有透明性的高分子材料等的表面上,设置掺杂了铟、氟、锑等的氧化锡等导电性的金属氧化物、或铜、银、金等金属的薄膜而成的衬底。其导电性一般只要为1000Ω以下即可,特别优选在100Ω以下。
另外,作为用于氧化物半导体微粒的薄膜的金属氧化物的具体例子,可以列举钛、锡、锌、钨、锆、镓、铟、钇、铌、钽、钒等的氧化物。其中,优选钛、锡、锌、铌、铟等的氧化物,特别优选氧化钛、氧化锌、氧化锡。这些氧化物半导体可以单独使用,也可以混合使用。另外,氧化物半导体微粒的粒径,就平均粒径而言一般为1至500nm,优选为1至100nm。另外此氧化物半导体微粒可以混合大粒径微粒与小粒径微粒,或形成多层而使用。
氧化物半导体微粒薄膜,可以通过下述方法制造,所述方法为将前述氧化物半导体微粒通过雾化喷雾等方法在前述高分子材料等衬底上直接形成薄膜的方法;以衬底作为电极电解析出半导体微粒薄膜的方法;将含有通过使半导体微粒的浆液或半导体醇盐等半导体微粒的前体进行水解而得到的微粒的糊剂涂布在衬底上后,进行干燥、固化或煅烧等。从氧化物半导体电极的性能方面,优选其中使用浆液的方法。使用该方法时,供使用的浆液,通过使2次凝聚的氧化物半导体微粒根据常法以平均1次粒径成为1至200nm的方式分散在分散剂中而得到。
作为使浆液分散的分散剂,只要能够使半导体微粒分散即可使用任意一种,例如可以使用水、乙醇等醇、丙酮、乙酰基丙酮等酮或己烷等烃,这些也可以混合使用,另外,就减少浆液粘度变化方面而言优选使用水。另外,在以氧化物半导体微粒的分散状态稳定为目的的方面,可以使用分散稳定剂。作为可使用的分散稳定剂的例子,可以列举例如醋酸、盐酸、硝酸等酸、或乙酰基丙酮、丙烯酸、聚乙二醇、聚乙烯醇等。
涂布浆液的衬底可进行煅烧,其煅烧温度一般为100℃以上,优选200℃以上,且上限大概为基材的融点(软化点)以下,一般上限为900℃,优选600℃以下。另外,煅烧时间并无特别限定,优选大致在4小时以内。衬底上的薄膜厚度一般为1至200μm,优选1至50μm。
可以对氧化物半导体微粒薄膜实施2次处理。例如,在与金属氧化物半导体相同金属的醇盐、氯化物、硝化物、硫化物等的溶液中直接浸渍设置薄膜的衬底,通过干燥或再煅烧,也可以提高半导体薄膜的性能。作为可以使用的金属醇盐的例子,可以列举例如乙醇钛、异丙醇钛、叔丁醇钛、正二丁基二乙酰锡等,可以使用它们的醇溶液。另外,作为氯化物,可以列举例如四氯化钛、四氯化锡、四氯化锌等,可以使用它们的水溶液。这样得到的即使经2次处理的氧化物半导体薄膜中,也能维持氧化物半导体的微粒状态。
下面,关于氧化物半导体薄膜上负载色素的方法进行说明。
作为负载前述式(1)所示的次甲基类色素的方法,可以列举例如:在可以溶解式(1)的次甲基类色素的溶剂中溶解该色素而得的溶液、或为溶解性低的次甲基类色素时使其分散而得到的分散液中,浸渍设置上述氧化物半导体薄膜的衬底的方法。溶液或分解液中的浓度可以根据式(1)的次甲基类色素而适当决定。浸渍温度大致从常温至用于色素溶解的溶剂的沸点,另外浸渍时间从约1分钟至约48小时。作为可以 用于溶解式(1)的次甲基类色素的溶剂的具体例子,可以列举例如甲醇、乙醇、乙腈、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、丙酮、叔丁醇等。溶液中的色素浓度一般可为1×10-6M至1M,优选1×10-5M至1×10-1M。这样可以得到具有以式(1)的次甲基类色素进行增感的氧化物半导体微粒薄膜的本发明的光电变换元件。
进行负载的前述式(1)的次甲基类色素可以为1种,也可以多种混合。另外,也可以混合使用本发明中式(1)的次甲基类色素与其它的金属络合物色素或有机色素。尤其是通过混合使用吸收波长不同的色素,可以利用宽幅的吸收波长,得到变换效率高的太阳能电池。作为能够混合的金属络合物色素的例子,并无特别限制,可以为非专利文献2中所示的钌络合物或其季盐、酞菁、卟啉等,另外,作为可以混合的有机色素的例子,可以列举无金属的酞菁、卟啉或花青、部花青、Oxonol、三苯基甲烷类色素、专利文献2中所示的丙烯酸类色素等次甲基类色素、或氧杂蒽类色素、偶氮类色素、蒽醌类色素、苝类色素等。作为优选者,可以列举钌络合物、或部花青类色素、丙烯酸类色素等次甲基类色素。使用2种以上色素时,可以使各色素顺次吸附在半导体薄膜上,也可以混合溶解并同时使其吸附。
进行混合的色素的比率并无特别限定,可根据各种色素而最适宜选择,一般以等摩尔混合,优选每个色素使用约10%摩尔以上。使用将混合色素混合溶解或分散的溶液,在氧化物半导体微粒薄膜上负载色素时,溶液中的色素的总浓度可以与只负载如前所述1种时相同。作为将色素混合使用时的溶剂,可以使用如前所述的溶剂,所使用的各色素用的溶剂可以相同,也可以不同。
在氧化物半导体微粒的薄膜上负载色素时,为了防止色素之间的结合,在包合物存在下负载色素很有效。在此作为包合物,可以列举例如胆酸等类固醇类化合物、冠醚、环糊精、杯芳烃(calixarene)、聚环氧乙烷等,优选去氧胆酸、去氢去氧胆酸、鹅去氧胆酸、胆酸甲酯、 胆酸钠等胆酸类、聚环氧乙烷等。另外,负载色素后,也可以4-叔丁基吡啶等胺化合物处理半导体薄膜表面。处理方法可以采用例如将设置了负载色素后的半导体微粒薄膜的衬底在胺化合物的乙醇溶液中浸渍的方法等。
本发明的太阳能电池,是以在上述氧化物半导体薄膜上负载前述式(1)的次甲基类色素等而得的光电变换元件作为电极,由对电极、氧化还原电解质、空穴输送材料、p型半导体等构成。作为氧化还原电解质、空穴输送材料、p型半导体等的形态,可以列举液体、凝固体(凝胶及凝胶状)、固体等。作为液体物质,可使氧化还原电解质、熔融盐、空穴输送材料、p型半导体等分别溶解在溶剂中而成、或常温熔融盐等,为凝固体(凝胶及凝胶状)时,可以分别列举使它们包含在聚合物基质或低分子凝胶化剂等中而成的物质等。作为固体物质,可以直接使用氧化还原电解质、加热时熔融的熔融盐、空穴输送材料、p型半导体等。作为空穴输送材料,可以列举例如使用胺衍生物或聚乙炔、聚苯胺、聚噻吩等导电性高分子、苯并菲类化合物等盘状液晶相的物质等。另外,作为p型半导体,可以列举例如CuI、CuSCN等。作为对电极,优选具有导电性,在氧化还原电解质的还原反应中起催化作用的物质。可以使用例如在玻璃、高分子膜上蒸镀铂、碳、铑、钌等而成的物质、同涂附导电性微粒的物质等。
作为可用于本发明的太阳能电池的氧化还原电解质的例子,可以列举包括以卤素离子作为对离子的卤素化合物及卤素分子的卤素氧化还原类电解质、亚铁氰酸盐-铁氰酸盐或二茂合铁-氰铁离子(ferricinium ion)、钴络合物等金属络合物等的金属氧化还原类电解质、烷基硫醇-烷基二硫醚、氧化还原色素、氢醌-醌等有机氧化还原类电解质等,优选卤素氧化还原类电解质。在包括卤素化合物及卤素分子的卤素氧化还原类电解质中的卤素分子,可以列举例如碘分子或溴分子等,优选碘分子。另外,以卤素离子作为对离子的卤素化合物,可以列举例如LiBr、NaBr、KBr、LiI、NaI、KI、CsI、CaI2、MgI2、CuI 等卤化金属盐或四烷基铵碘化物、咪唑碘化物、吡啶碘化物等卤素的季铵盐等,优选以碘离子作为对离子的盐类。另外,除上述碘离子外,优选使用以双(三氟甲磺酰基)酰亚胺离子、二氰基酰亚胺离子等酰亚胺离子作为对离子的电解质。
另外,当氧化还原电解质以含有其的溶液的形式构成时,可以使用在该溶剂中电化学性质为惰性的物质。可以列举例如乙腈、碳酸丙二酯、碳酸乙二酯、3-甲氧基丙腈、甲氧基乙腈、乙二醇、丙二醇、二乙二醇、三乙二醇、γ-丁内酯、二甲氧基乙烷、碳酸二乙酯、乙醚、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、1,2-二甲氧基乙烷、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、1,3-二氧杂戊环、甲酸甲酯、2-甲基四氢呋喃、3-甲氧基-哑嗪-2-酮、环丁砜、四氢呋哺、水等,其中,特别优选乙腈、碳酸丙二酯、碳酸乙二酯、3-甲氧基丙腈、甲氧基乙腈、乙二醇、3-甲氧基-哑嗪-2-酮、γ-丁内酯等。它们可以单独或2种以上组合使用。作为凝胶状电解质,可以列举在寡聚物、聚合物等基质中含有电解质或电解质溶液的物质,或含有非专利文献3记载的低分子凝胶化剂等中的相同电解质或电解质溶液的物质等。氧化还原电解质的浓度一般为0.01至99重量%,优选0.1至90质量%。
本发明的太阳能电池,是在衬底上的氧化物半导体薄膜上负载了色素的光电变换元件的电极中,以夹住电极的方式,配置对电极,通过在其间填充含有氧化还原电解质的溶液而得到。
实施例
以下根据实施例,更详细地说明本发明,但本发明并不限定于这些实施例。实施例中,若无特别指定,份则表示质量份。另外,化合物的编号为表1或表2中的化合物编号。另外最大吸收波长通过UV-3150分光光度计(岛津制作所制),核磁共振通过ジエミニ300(バリアン公司制)分别进行测定。
实施例1
使下述化合物(300)1份与下述化合物(301)1.6份溶解在乙醇20份中。在此溶液中加入哌啶0.01份,加热回流2小时。反应后冷却溶液,以柱层析法分离纯化析出的结晶,通过以乙醇重结晶,得到化合物(27)1.2份。关于此化合物的最大吸收波长及核磁共振装置中的测定值如下所示。
最大吸收波长:λmax=566nm(水∶乙腈=7∶3)
核磁共振的测定值:
1H-NMR(PPM:d6-DMSO):0.85(t.3H),1.27(m.10H),1.55(m.2H),1.87(m.2H),2.73(m..2H),3.35(m.4H),6.73(d.1H),7.25(m.1H),7.35(d.1H),7.46(m.3H).7.62(d.1H),7.94(m.2H),8.26(m,2H)
原料化合物(301)的合成
将1,2,3,4-四氢喹啉4份、1-溴辛烷6.4份、二甲基甲酰胺(DMF)5份、碳酸钾5份在氮气环境下130℃搅拌4小时。反应后,以水-乙酸乙酯萃取,以硫酸镁干燥乙酸乙酯相,馏去乙酸乙酯,以柱层析法分离纯化,得到无色液体状态的化合物(301)前体1,2,3,4-四氢-1-辛基喹啉3份。然后,保持反应液温度在10℃以下,同时向温度调节至5℃的氯仿10份、N,N-二甲基丙烯醛1份中滴入氧氯化磷1.7份,5℃下搅拌1小时。其后,加入上述1,2,3,4-四氢-1-辛基喹啉2.5份,在25℃下反应1小时,在70℃下搅拌1小时。其后,在反应液中添加20%氢氧化钠水溶液至pH为12。过滤析出的结晶,将得到的结晶水洗后,以柱层析法(己烷∶乙酸乙酯)分离,以乙醇重结晶,得到黄色结晶的化合物(301)2.7份。
实施例2
除了将上述化合物(301)1.6份变更为下述化合物(302)2.5份以外,与实施例1进行同样处理,可得到化合物(3302)0.9份。
最大吸收波长∶λmax=526nm(水∶乙腈=7∶3)
原料化合物(302)的合成
除了将前述化合物(301)的合成中1-溴辛烷6.4份变更为1-溴十八烷11份以外,进行同样处理,得到黄色结晶的化合物(302)3份。
实施例3
除了将上述化合物(301)1.6份变更为下述化合物(303)1.5份以外,与实施例1进行同样处理,可得到化合物(146)0.9份。
最大吸收波长:λmax=546nm(水∶乙腈=7∶3)
核磁共振的测定值:
1H-NMR(PPM:d6-DMSO):2.03(m.2H),2.36(s.3H),2.87(m.2H),3.66(m.2H),6.40(d.1H),7.26(m.6H),7.47(m.3H),7.63(d.1H),7.92(m.2H),8.28(m.2H)
原料化合物(303)的合成
将1,2,3,4-四氢喹啉4份、4-碘甲苯20份、二甲基甲酰胺(DMF)20份、碳酸钾10份、铜粉(200目)1份在氮气环境下160℃搅拌10小时。反应后,以水-乙酸乙酯萃取,以硫酸镁干燥乙酸乙酯相,馏去乙酸乙酯,以柱层析法分离纯化,得到无色结晶的化合物(303)前体1,2,3,4-四氢-1-对甲苯基喹啉5份。然后,保持反应液温度在10℃以下,同时在温度调整至5℃的氯仿10份、N,N-二甲基丙烯醛1份中滴加氧氯化磷1.7份,5℃下搅拌1小时。其后,加入上述1,2,3,4-四氢-1-对甲苯基喹啉2份,在25℃下反应1小时后,在70℃下搅拌1小时。其后,在反应液中添加20%氢氧化钠水溶液至pH为12。过滤析出的结晶,将得到的结晶水洗后,以柱层析法(己烷:乙酸乙酯)分离,以乙醇重结晶,得到黄色结晶的化合物(303)1.8份。
实施例4
除了将上述化合物(301)1.6份变更为下述化合物(304)1.5份以外,与实施例1进行同样处理,得到化合物(12)0.9份。
最大吸收波长:λmax=501nm(水∶乙腈=7∶3)
核磁共振的测定值:
1H-NMR(PPM:d6-DMSO):1.74(s.CH3.6H),3.11(s.CH3.6H),3.87(s.CH3.3H),6.85(d.2H),6.93(d.1H),7.31(m.1H),7.62(d.2H),7.76(d.1H),7.81(d.1H),8.10(dd.1H),8.27(d.1H),8.37(m.1H)
原料化合物(304)的合成
除了将前述化合物(301)的合成中氯仿10份、N,N-二甲基丙烯醛1份变更为DMF10份以外,其余进行同样处理,得到黄色结晶的化合物(304)2份。
实施例5
将化合物编号12的次甲基类色素溶解在乙醇(EtOH)中使其为3.2×10-4M。室温下在此溶液中浸渍多孔质衬底(透明导电性玻璃电极上以450℃烧结多孔质氧化钛30分钟而成的半导体薄膜电极)(约0.25cm2)3小时至一个晚上,使该色素负载,以溶剂(乙醇)清洗,干燥,得到具有经色素增感的半导体薄膜(氧化钛微粒薄膜)的本发明的光电变换元件(设置色素增感半导体薄膜的衬底)。
在这样得到的设置了色素增感半导体薄膜的衬底上,使半导体薄膜与经铂溅射的导电性玻璃的溅射面相对,设置20微米的空隙,固定,在其空隙中注入含有电解质的溶液(电解液),充满空隙,得到本发明的太阳能电池。
测定的电池的大小使实效部分为0.25cm2。光源使用500W氙灯,通过AM(大气圈通过空气量)1.5过滤器而成为100mW/cm2。短路电流、开路电压、变换效率使用ソ一ラシユミレ一タWXS-155S-10,AM1.5G((株)ワコム电创制)测定。其结果如表3所示。
实施例6
在实施例5中使用的多孔质衬底(半导体薄膜电极)(约0.25cm2)的氧化钛薄膜部分上滴下0.2M四氯化钛水溶液约1cc,室温下静置24小时后,水洗,再450℃下煅烧30分钟,得到四氯化钛处理半导体薄膜电极(多孔质衬底),除了使用该半导体薄膜电极以外,其余与实施例5相同操作,负载色素,得到具有经色素增感的半导体薄膜(氧化钛微粒薄膜)的本发明的光电变换元件。以下与实施例5同样制造本发明的太阳能电池,测定其性能。其结果如表3所示。
实施例7
使用实施例6中使用的四氯化钛处理半导体薄膜电极(多孔质衬底),代替实施例5中使用的多孔质衬底(半导体薄膜电极),除了色素负载时加入作为包合物的胆酸使其为3×10-2M,调制色素溶液以外,与实施例5同样操作,使色素负载在半导体薄膜上,得到具有胆酸处理色素增感半导体薄膜的本发明的光电变换元件。
以下与实施例5同样,制造本发明的太阳能电池,并测定其性能。其结果如表3所示。
实施例8至10
除了使用实施例6的次甲基类色素代替表3的各实施例中记载的次甲基类色素以外,与实施例6同样制造本发明的光电变换元件及本发明的太阳能电池,测定得到的太阳能电池的性能。其结果如表3所示。
实施例11
除了将实施例7的次甲基类色素更换为化合物编号146的次甲基类色素以外,与实施例7同样制造本发明的光电变换元件及本发明的太阳能电池,测定得到的太阳能电池的性能。其结果如表3所示。
实施例12
除了使用化合物编号146的次甲基类色素及后述化合物编号305的色素分别使其成为1.6×10-4M与1.6×10-4M浓度以外,与实施例6同样制造本发明的光电变换元件及本发明的太阳能电池,测定得到的太阳能电池的性能。其结果如表3所示。
实施例13
除了使用3.2×10-4M浓度的后述化合物编号306的色素代替实施 例12中的化合物编号305的色素以外,与实施例12同样制造本发明的光电变换元件及本发明的太阳能电池,测定得到的太阳能电池的性能。其结果如表3所示。
实施例14
除了将实施例1中的化合物(301)1.6份变更为下述化合物(307)1.9份以外,通过与实施例1进行同样处理,得到化合物(308)1.7份。
原料化合物(307)的合成例
除了将上述化合物(303)的合成例中4-碘甲苯20份变更为2-碘-9,9-二甲基-9H-芴30份以外,进行同样处理,得到黄色结晶的化合物(307)2.5份。
实施例15
除了将实施例1中的化合物(301)1.6份变更为下述化合物(309)1.8份以外,通过与实施例1进行同样处理,得到化合物(310)1.5份。
原料化合物(309)的合成例
除了将前述(303)的合成中4-碘甲苯20份变更为2-碘-9,9-二甲基-9H-芴30份,再将氯仿10份、N,N-二甲基丙烯醛1份变更为DMF10份以外,其余同样进行处理,得到淡黄色结晶的化合物(309)1.8份。
实施例16
除了将实施例1中的化合物(301)1.6份变更为下述化合物(311)2.0份以外,通过与实施例1同样处理,得到化合物(312)1.6份。
最大吸收波长:λmax=549nm(水∶乙腈=1∶1)
原料化合物(311)的合成
在氮气环境下,向5-溴吲哚啉2份、甲苯20份的混合溶液中滴入2-噻吩硼酸2份、乙醇3ml、2M碳酸钠10ml的混合溶液,反应1小时。然后,加入四-三苯基膦钯(0)0.3份,80℃下反应12小时。反应后,以水-乙酸乙酯萃取反应液,以硫酸镁干燥乙酸乙酯相,馏去乙酸乙酯,以柱层析法(己烷∶乙酸乙酯)分离纯化,得到无色结晶的化合物(311)前体5-(噻吩-2-基)吲哚啉2份。然后,在氮气环境160℃下将5-(噻吩-2-基)吲哚啉2份、2-碘-9,9-二甲基-9H-芴6份、二甲基甲酰胺(DMF)30份、碳酸钾10份、铜粉(200目)1份进行搅拌10小时。反应后,以水-乙酸乙酯萃取,以硫酸镁干燥乙酸乙酯相,馏去乙酸乙酯,以柱层析法分离纯化,得到同样为化合物(311)前体的无色结晶1-(9,9-二甲基-9H-芴-2-基)-5-(噻吩-2-基)吲哚啉2份。然后,保持反应液温度在10℃以下,同时在温度调整至5℃的DMF10份中滴入氧氯化磷1.7份,5 ℃下搅拌1小时。其后,加入上述1-(9,9-二甲基-9H-芴-2-基)-5-(噻吩-2-基)吲哚啉2份,在25℃下反应1小时,在70℃下搅拌1小时。其后,在反应液中添加20%氢氧化钠水溶液至pH为12。过滤析出的结晶,将得到的结晶水洗后,以柱层析法(己烷∶乙酸乙酯)分离,以乙醇重结晶,得到黄色结晶的化合物(311)2份。
实施例17至20
除了将实施例7的次甲基类色素分别替换为实施例14至16中得到的化合物以外,与实施例7同样制造本发明的光电变换元件及太阳能电池,测定得到的太阳能电池的性能。其结果如表3所示。
另外,与实施例12及13中式(1)的次甲基类色素合并使用的化合物编号305及306的化学结构如下所示。
[表3]
实施例 | 化合物编号 | 短路电流 (mA/cn<sup>2</sup>) | 开路电压 (V) | 变换效率 (%) | 薄膜的 TiCl<sub>4</sub>处理 | 有无胆酸 |
5 | (12) | 12.9 | 0.61 | 5.4 | 未处理 | 无 |
6 | (12) | 15.1 | 0.6 | 6.2 | 处理 | 无 |
7 | (12) | 15.5 | 0.63 | 6.8 | 处理 | 有 |
8 | (27) | 14.5 | 0.59 | 5.8 | 处理 | 无 |
9 | (3302) | 13.5 | 0.61 | 5.7 | 处理 | 无 |
10 | (146) | 15 | 0.56 | 5.7 | 处理 | 无 |
11 | (146) | 15.2 | 0.62 | 6.6 | 处理 | 有 |
12 | (305)+(146) | 17.2 | 0.61 | 7.2 | 处理 | 无 |
13 | (306)+(146) | 15.9 | 0.61 | 6.8 | 处理 | 无 |
17 | (27) | 16.5 | 0.67 | 7.2 | 处理 | 有 |
1 8 | (308) | 16.8 | 0.66 | 7.2 | 处理 | 有 |
19 | (310) | 14.3 | 0.7 | 6.8 | 处理 | 有 |
20 | (312) | 15.9 | 0.65 | 6.5 | 处理 | 有 |
从表3的结果可知,通过使用式(1)所示的次甲基类色素进行增感的光电变换元件,可以使可见光有效地变换为电。另外,通过组合使用已知的化合物作为增感用色素,可以确认变换效率进一步提高。
产业上的可利用性
使用了含有负载式(1)的次甲基类色素而进行增感的氧化物半导体微粒的光电变换元件的本发明的太阳能电池,由于光电变换效率高且稳定性好,因此可以廉价制造高效的太阳能电池,在产业上极为有用。另外以式(1)所示的次甲基类色素,为新型化合物,作为在色素增感光电变换元件的制造及其它的用途中的增感色素极为有用。
Claims (13)
3.如权利要求1或2所述的光电变换元件,其中R1为碳数6至18的烷基。
4.如权利要求1或2所述的光电变换元件,其中R1为具有碳数1至8的烷基作为取代基的苯基。
5.一种光电变换元件,其使用由权利要求1所述的式(1)表示的次甲基类色素的一种以上、与金属络合物和/或具有权利要求1所述的式(1)以外的结构的有机色素进行增感的氧化物半导体微粒。
6.如权利要求1、2、5中任一项所述的光电变换元件,其中氧化物半导体微粒含有二氧化钛、氧化锌或氧化锡。
7.如权利要求1或2所述的光电变换元件,其中由式(1)所示的次甲基类色素进行增感的氧化物半导体微粒,为在包合物存在下、在氧化物半导体微粒上负载权利要求1所述的式(1)所示的次甲基类色素而得到的物质。
8.如权利要求1或2所述的光电变换元件,其中由式(1)所示的次甲基类色素进行增感的氧化物半导体微粒,为在氧化物半导体微粒的薄膜上负载式(1)所示的次甲基类色素而得到的物质。
9.含有如权利要求1或2所述的光电变换元件的太阳能电池。
10.由权利要求1中所述的式(1)表示的次甲基类色素。
11.如权利要求10所述的次甲基类色素,其中式(1)所示的次甲基类色素为权利要求2中所述的式(3)所示的次甲基类色素。
12.一种光电变换元件,其中在氧化物半导体薄膜电极的半导体薄膜面上负载权利要求1中所述的式(1)所示的次甲基类色素。
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Granted publication date: 20101208 Termination date: 20150523 |
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