JP2011195745A - Dye and dye-sensitized solar cell using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】幅広い領域の光に感度を有し、かつ効率よく電流を取出せる金属錯体、さらにはこの金属錯体を用いた良好な色素増感酸化物半導体電極および色素増感太陽電池の提供。
【解決手段】ML1L2[Mは周期律表上の8から10族の元素であり、L1は、テルピリジン誘導体;L2は、ピリジンカルボン酸誘導体などである。]で表される金属錯体色素。例えば、下式に示す金属錯体色素、該錯体を用いた半導体電極及び色素増感太陽電池。
【選択図】なしThe present invention provides a metal complex that has sensitivity to light in a wide range and can efficiently extract current, and also provides a good dye-sensitized oxide semiconductor electrode and a dye-sensitized solar cell using the metal complex.
ML1L2 [M is an element of group 8 to 10 on the periodic table, L1 is a terpyridine derivative; L2 is a pyridinecarboxylic acid derivative or the like. ] The metal complex dye represented by this. For example, a metal complex dye represented by the following formula, a semiconductor electrode using the complex, and a dye-sensitized solar cell.
[Selection figure] None
Description
本発明は、太陽光エネルギーを効率よく光吸収する色素、及びそれを用いた太陽電池に関するものである。 The present invention relates to a dye that efficiently absorbs solar energy and a solar cell using the same.
太陽光を効率よく電気に変換できる太陽電池はエネルギー・環境問題の観点から注目されている。現在実用化されている太陽電池は主にシリコンを用いるものであるが、これらの太陽電池は製造コストが高く、今後の普及に大きな問題を抱えている。従って、シリコン系太陽電池に変わる新しいタイプの太陽電池の研究が進められており、その1つとしてシリコンに代えて増感色素を吸着させた酸化チタンなどの金属酸化物半導体を電極として用いる色素増感太陽電池がある(特許文献1)。色素増感太陽電池は、資源的制約が少ないこと、製造コストが比較的低いことなどの利点があり、その普及が期待されている。しかしながら、エネルギー変換効率や耐久性等の面でシリコン系太陽電池に劣っており、実用化に向けたこれらの性能の向上が検討されている。 Solar cells that can efficiently convert sunlight into electricity are attracting attention from the viewpoint of energy and environmental issues. The solar cells currently in practical use mainly use silicon, but these solar cells have a high production cost and have a big problem in the future spread. Therefore, research on a new type of solar cell that replaces a silicon-based solar cell is underway, and one of them is a dye sensitization that uses a metal oxide semiconductor such as titanium oxide in which a sensitizing dye is adsorbed instead of silicon as an electrode. There is a solar cell (Patent Document 1). Dye-sensitized solar cells have advantages such as less resource constraints and relatively low manufacturing costs, and are expected to be widely used. However, it is inferior to silicon-based solar cells in terms of energy conversion efficiency and durability, and improvements in these performances for practical use are being studied.
色素増感太陽電池においては、ルテニウム−ポリピリジン錯体が色素に用いられることが多く、発電効率や耐久性は色素に大きく依存することが知られている。特にエネルギー変換効率が高いものとして、2,2’−ビピリジン誘導体や2,2’:6’,2''−テルピリジン誘導体を配位子として有するルテニウム−イソチオシアナト錯体が良く知られている(非特許文献1、及び非特許文献2)。 In dye-sensitized solar cells, a ruthenium-polypyridine complex is often used as a dye, and it is known that power generation efficiency and durability greatly depend on the dye. Ruthenium-isothiocyanato complexes having a 2,2′-bipyridine derivative or a 2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine derivative as a ligand are particularly well known as those having high energy conversion efficiency (non-patent Document 1 and Non-patent document 2).
色素増感太陽電池の実用化のためには、変換効率、及び耐久性等の更なる向上が重要な研究課題となってくる。そのためにはルテニウム錯体などの増感色素として用いられる化合物についても、性能の向上、ならびに光、熱に対する安定性が求められる。
エネルギー変換効率を向上するためには、可視光領域から赤外光領域までの幅広い領域の光を効率よく光電変換することができる増感色素の開発が必要と言える。また、安定性においては、前述のポリピリジン配位子を有するルテニウム−イソチオシアナト錯体について見ると、熱や光の刺激による単座配位子のイソチオシアナトの解離もしくは異性化反応の進行の可能性が指摘されている。これらの解離や異性化反応は、金属錯体色素の安定性を低下させるだけでなく、性能も低下すると考えられており、単座配位子を含まない金属錯体色素の開発が必要と言える。
For practical application of dye-sensitized solar cells, further improvement in conversion efficiency, durability and the like becomes an important research subject. For this purpose, compounds used as sensitizing dyes such as ruthenium complexes are also required to have improved performance and stability to light and heat.
In order to improve the energy conversion efficiency, it can be said that development of a sensitizing dye capable of efficiently photoelectrically converting light in a wide range from the visible light region to the infrared light region is necessary. In terms of stability, the ruthenium-isothiocyanato complex having the polypyridine ligand mentioned above pointed out the possibility of dissociation or isomerization of the monodentate ligand isothiocyanate by stimulation of heat or light. Yes. These dissociation and isomerization reactions are considered to reduce not only the stability of the metal complex dye but also the performance, and it can be said that the development of a metal complex dye containing no monodentate ligand is necessary.
単座配位子を含まない金属錯体色素として非特許文献3には、下記式5で表されるルテニウム錯体が報告されている。この化合物を、「化合物1」という。化合物1を組み込んだ色素増感太陽電池のエネルギー変換効率は2.1%であり、光電変換が可能な領域も400nmから800nmまでである。このようなタイプの増感色素については、エネルギー変換効率を向上すること、及び光電変換が可能な領域をより長波長側に拡げることが期待されている。
本発明は、従来の技術における上記した状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、幅広い領域の光に感度を有し、かつ効率よく電流を取出せる新規構造の金属錯体色素を提供し、さらにはこの金属錯体色素を用いた良好な色素増感酸化物半導体電極および色素増感太陽電池を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described situation in the prior art, and an object of the present invention is to provide a metal complex dye having a novel structure that is sensitive to a wide range of light and that can efficiently extract current. It is another object of the present invention to provide a good dye-sensitized oxide semiconductor electrode and a dye-sensitized solar cell using the metal complex dye.
本発明は、上記課題を解決するものとして、以下の一般式(1)で表される新規な金属錯体色素を提供するものである。
一般式(1)
上記一般式(1)中の一般式(3)で表される配位子L2のうち、好ましいものの例としては、以下の一般式(4)であらわされる配位子が挙げられる。
また、上記一般式(1)において、Mは、ルテニウムであることがとくに好ましい。
さらに、本発明は、当該金属錯体色素が酸化物半導体に吸着されてなる色素増感金属酸化物半導体電極を提供する。
さらにまた、本発明は、導電性支持体上に形成された当該色素増感金属酸化物半導体電極とその対極、及びそれらの電極に接触するレドックス電解質とから構成される色素増感太陽電池を提供する。
In order to solve the above problems, the present invention provides a novel metal complex dye represented by the following general formula (1).
General formula (1)
Of the ligands L 2 represented by the general formula (3) in the general formula (1), a preferable example is a ligand represented by the following general formula (4).
In the general formula (1), M is particularly preferably ruthenium.
Furthermore, the present invention provides a dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode in which the metal complex dye is adsorbed on an oxide semiconductor.
Furthermore, the present invention provides a dye-sensitized solar cell comprising the dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode formed on a conductive support, a counter electrode thereof, and a redox electrolyte in contact with the electrode. To do.
本発明の金属錯体色素は、幅広い領域の光に感度を有し、かつ、効率よく電流を取出すことができる。このため、これを用いた色素増感金属酸化物半導体電極および色素増感太陽電池は、良好な光電変換効率を達成することができる。 The metal complex dye of the present invention has sensitivity to a wide range of light and can efficiently extract current. For this reason, the dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode and dye-sensitized solar cell using this can achieve favorable photoelectric conversion efficiency.
本発明の色素は、色素増感太陽電池の金属酸化物半導体を修飾する増感剤として用いることが出来る。本発明の色素増感太陽電池においては、対極としては白金電極などの周知の電極が用いられる。これらの電極に接触するレドックス電解質も、周知のものを用いることが出来る。
本発明の金属錯体色素は、
一般式(1)
上記一般式(1)中の一般式(3)で表される配位子L2のうち、好ましいものの例としては、以下の一般式(4)であらわされる配位子が挙げられる。
The metal complex dye of the present invention is
General formula (1)
Of the ligands L 2 represented by the general formula (3) in the general formula (1), a preferable example is a ligand represented by the following general formula (4).
上記式(1)におけるMは、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、白金等を挙げることが出来るが、これらのうちルテニウムがとくに好ましい。
上記式(2)におけるA1、A2、及びA3はそれぞれ独立にカルボキシ基、スルホン酸基、リン酸基、若しくはホウ酸基、又はこれらの塩に相当する基であるが、これらのうちカルボキシ基又はその塩であることが好ましい。
A1、A2、又はA3が塩である場合、対カチオンとしてはアンモニウムイオン、ジメチルアンモニウムイオン、ジエチルアンモニウムイオン、テトラメチルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラプロピルアンモニウムイオン、テトラブチルアンモニウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン等を挙げることが出来、好ましくはテトラブチルアンモニウムイオンである。
上記式(2)におけるR1、R2、及びR3としては、好ましくは、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アミノ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アシル基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、アシルオキシ基、アシルアミノ基、アルコキシカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、スルホニルアミノ基、スルファモイル基、カルバモイル基、アルキルチオ基、アリールチオ基、スルホニル基、ハロゲン原子、シアノ基、ヘテロ環基などが挙げられる。
Examples of M in the above formula (1) include iron, cobalt, nickel, ruthenium, osmium, iridium, and platinum. Of these, ruthenium is particularly preferable.
A 1 , A 2 and A 3 in the above formula (2) are each independently a carboxy group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a boric acid group, or a group corresponding to a salt thereof. It is preferably a carboxy group or a salt thereof.
When A 1 , A 2 , or A 3 is a salt, the counter cation is ammonium ion, dimethyl ammonium ion, diethyl ammonium ion, tetramethyl ammonium ion, tetraethyl ammonium ion, tetrapropyl ammonium ion, tetrabutyl ammonium ion, sodium An ion, a potassium ion, etc. can be mentioned, Preferably it is a tetrabutylammonium ion.
R 1 , R 2 and R 3 in the above formula (2) are preferably an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, an amino group, an alkoxy group, an aryloxy group, an acyl group, an alkoxycarbonyl group, Aryloxycarbonyl group, acyloxy group, acylamino group, alkoxycarbonylamino group, aryloxycarbonylamino group, sulfonylamino group, sulfamoyl group, carbamoyl group, alkylthio group, arylthio group, sulfonyl group, halogen atom, cyano group, heterocyclic group Etc.
式(2)で表されるL1の具体的な構造としては、例えば下記式(6)〜(8)で表される配位子を挙げることが出来る。
上記式(3)において、Z は含窒素芳香環を形成する原子群を表す。Zが形成する含窒素芳香環は好ましくは4〜10員環、より好ましくは5〜6員環である。その含窒素芳香環は好ましくは炭素数2〜30、より好ましくは炭素数4〜10である。Zで形成される含窒素芳香環としては、例えばピリジン、ピラジン、ピリミジン、キノリン、イソキノリン、イミダゾール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、トリアゾール、オキサジアゾール、チアジアゾールなどが挙げられる。
Zで形成される環は、置換基を有しても良く、置換基として好ましくは、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アミノ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アシル基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、アシルオキシ基、アシルアミノ基、アルコキシカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、スルホニルアミノ基、スルファモイル基、カルバモイル基、アルキルチオ基、アリールチオ基、スルホニル基、ハロゲン原子、シアノ基、ヘテロ環基などが挙げられる。
In the above formula (3), Z represents an atomic group forming a nitrogen-containing aromatic ring. The nitrogen-containing aromatic ring formed by Z is preferably a 4-10 membered ring, more preferably a 5-6 membered ring. The nitrogen-containing aromatic ring preferably has 2 to 30 carbon atoms, more preferably 4 to 10 carbon atoms. Examples of the nitrogen-containing aromatic ring formed by Z include pyridine, pyrazine, pyrimidine, quinoline, isoquinoline, imidazole, thiazole, isothiazole, oxazole, triazole, oxadiazole, thiadiazole and the like.
The ring formed by Z may have a substituent, and preferably an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, an amino group, an alkoxy group, an aryloxy group, an acyl group, an alkoxycarbonyl group. Group, aryloxycarbonyl group, acyloxy group, acylamino group, alkoxycarbonylamino group, aryloxycarbonylamino group, sulfonylamino group, sulfamoyl group, carbamoyl group, alkylthio group, arylthio group, sulfonyl group, halogen atom, cyano group, hetero And a ring group.
上記式(4)において、R4として、好ましくは、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アミノ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アシル基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、アシルオキシ基、アシルアミノ基、アルコキシカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、スルホニルアミノ基、スルファモイル基、カルバモイル基、アルキルチオ基、アリールチオ基、スルホニル基、ハロゲン原子、シアノ基、ヘテロ環基などが挙げられる。 In the above formula (4), R 4 is preferably an alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, aryl group, amino group, alkoxy group, aryloxy group, acyl group, alkoxycarbonyl group, aryloxycarbonyl group, acyloxy group. , Acylamino group, alkoxycarbonylamino group, aryloxycarbonylamino group, sulfonylamino group, sulfamoyl group, carbamoyl group, alkylthio group, arylthio group, sulfonyl group, halogen atom, cyano group, heterocyclic group and the like.
式(3)または(4)で表されるL2の好ましい例としては、例えば、下記式(9)〜(30)で表される配位子を挙げることが出来る。
本発明の金属錯体色素の具体例として、例えば、下記式(31)〜(34)で表されるものを挙げることが出来る。
本発明の金属錯体色素の製造方法は、例えば、4,4’,4”−トリメトキシカルボニル−2,2’:6’,2”−テルピリジン(L3)とルテニウム三塩化物を予め反応させて骨格となる[RuL3Cl3]錯体を合成し、これにL2を導入することにより得ることができる。[RuL3Cl3]錯体は公知の物質であり、例えばJ. Am. Chem. Soc. 123 (2001) 1613を参照して合成することができる。また、[RuL3Cl3]錯体とL2との反応から得られる中間体([Ru L2L3]錯体)は、 [RuL3Cl3]錯体、L2、塩化リチウム、及びトリエチルアミンのエタノール溶液を100℃にて、2−8時間還流した後、室温まで冷却し、得られた固体生成物をエタノールで十分に洗浄し、乾燥させることで得ることができる。 The method for producing a metal complex dye of the present invention includes, for example, reacting 4,4 ′, 4 ″ -trimethoxycarbonyl-2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine (L 3 ) with ruthenium trichloride in advance. Then, a [RuL 3 Cl 3 ] complex to be a skeleton is synthesized, and L 2 is introduced into the complex. The [RuL 3 Cl 3 ] complex is a known substance and can be synthesized with reference to, for example, J. Am. Chem. Soc. 123 (2001) 1613. The intermediate obtained from the reaction of [RuL 3 Cl 3 ] complex with L 2 ([Ru L 2 L 3 ] complex) is composed of [RuL 3 Cl 3 ] complex, L 2 , lithium chloride, and triethylamine ethanol. The solution is refluxed at 100 ° C. for 2-8 hours, then cooled to room temperature, and the resulting solid product is sufficiently washed with ethanol and dried.
目的の金属錯体色素は、[Ru L2L3]錯体とトリエチルアミンをジメチルホルムアミドと純水に溶解し、110〜120℃にて、20〜24時間還流する。この反応混合物を冷却し、溶媒を除去した固体生成物を、カラムクロマトグラフィーで精製することで目的の金属錯体色素を得ることができる。 The target metal complex dye is obtained by dissolving [Ru L 2 L 3 ] complex and triethylamine in dimethylformamide and pure water and refluxing at 110 to 120 ° C. for 20 to 24 hours. The target metal complex dye can be obtained by cooling the reaction mixture and purifying the solid product from which the solvent has been removed by column chromatography.
本発明の金属錯体色素を用いた本発明の色素増感太陽電池は、導電性支持体上に形成された色素増感金属酸化物半導体電極、電解質、対極が順次積層されて構成され、当該色素増感金属酸化物半導体電極には、本発明の金属錯体色素が化学吸着されている。
導電性支持体としては、金属もしくは表面に導電層を有するガラス又はプラスチック等を好適に用いることができる。導電層としては、金、白金、銀、銅、インジウム等の金属、導電性カーボン、又はインジウム錫複合化合物、酸化錫にフッ素をドープしたもの等が挙げられる。これらの導電材料を用いて、常法により支持体表面に導電層を形成することができる。また、導電性支持体を受光面とする場合は透明であることが好ましい。
The dye-sensitized solar cell of the present invention using the metal complex dye of the present invention comprises a dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode formed on a conductive support, an electrolyte, and a counter electrode, which are sequentially laminated. The metal complex dye of the present invention is chemisorbed on the sensitized metal oxide semiconductor electrode.
As the conductive support, a metal or glass or plastic having a conductive layer on the surface can be suitably used. Examples of the conductive layer include metals such as gold, platinum, silver, copper, and indium, conductive carbon, indium tin composite compounds, tin oxide doped with fluorine, and the like. Using these conductive materials, a conductive layer can be formed on the support surface by a conventional method. Further, when the conductive support is a light receiving surface, it is preferably transparent.
酸化物半導体電極を構成する材料としては、例えば酸化チタン、酸化ニオブ、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化タングステン、酸化インジウム等を挙げることができる。これらのうち好ましくは酸化チタン、酸化ニオブ、酸化スズであり、特に好ましくは酸化チタンである。酸化物半導体電極の形成方法は問わないが、例えば、酸化物半導体電極となるべき酸化物の微粒子を形成し、これを適当な溶媒に懸濁させて透明導電性ガラスの上に塗布し、溶媒を除去した後に加熱する方法により製造することができる。 Examples of the material constituting the oxide semiconductor electrode include titanium oxide, niobium oxide, zinc oxide, tin oxide, tungsten oxide, and indium oxide. Of these, titanium oxide, niobium oxide and tin oxide are preferable, and titanium oxide is particularly preferable. There is no limitation on the method of forming the oxide semiconductor electrode. For example, fine particles of oxide to be an oxide semiconductor electrode are formed, suspended in a suitable solvent, and applied onto transparent conductive glass. It can manufacture by the method of heating, after removing.
酸化物薄膜電極に本発明の色素を化学吸着させる方法としては、特に限定されず、公知の方法を採用することができる。例えば、上記の方法により得られた酸化物半導体電極を、本発明の金属錯体色素を含有する溶液に浸漬して行うことができる。ここで使用する溶媒は、金属錯体色素を溶解するものであれば良く、好ましくはメタノール、エタノール、ブタノール、アセトニトリル、アセトン、ジエチルエーテル、及びそれらを組み合わせた混合溶媒である。金属錯体色素溶液の濃度としては、1×10−4〜1×10−2モル/リットル程度とすることが好ましい。浸漬時間としては、使用する金属錯体色素、溶媒の種類、溶液の濃度等に応じて適宣調整することができる。浸漬時間は0.5〜50時間が好ましく、2〜25時間が更に好ましい。浸漬の際の温度としては、0〜100℃であることが好ましく、10〜50℃が更に好ましい。 The method for chemically adsorbing the dye of the present invention to the oxide thin film electrode is not particularly limited, and a known method can be employed. For example, the oxide semiconductor electrode obtained by the above method can be immersed in a solution containing the metal complex dye of the present invention. The solvent used here is not particularly limited as long as it dissolves the metal complex dye, and is preferably methanol, ethanol, butanol, acetonitrile, acetone, diethyl ether, or a mixed solvent in which they are combined. The concentration of the metal complex dye solution is preferably about 1 × 10 −4 to 1 × 10 −2 mol / liter. The immersion time can be appropriately adjusted according to the metal complex dye used, the type of solvent, the concentration of the solution, and the like. The immersion time is preferably 0.5 to 50 hours, more preferably 2 to 25 hours. As temperature at the time of immersion, it is preferable that it is 0-100 degreeC, and 10-50 degreeC is still more preferable.
電解質としては、電子、ホール、イオンを輸送できる導電性材料から構成される。導電性材料の中でもイオン導電体が好ましく、レドックス系を含有する溶液もしくは固体又はイオン性液体を用いることができる。具体的には、レドックス系としてはI-/I3-系、Br2-/Br3-系、Co2+/Co3+系、Fe2+/Fe3+系等があげられ、溶媒としては、アセトニトリルなどのニトリル系化合物、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系化合物等が挙げられる。また、液体電解質の添加剤としては、従来から用いられている4‐tert‐ブチルピリジンなどの含窒素芳香族化合物、或いは(1,2‐ジメチル‐3‐プロピル)イミダゾリウムアイオダイドなどのイミダゾール塩が挙げられ、これらの添加剤を0.1〜1.5モル/リットル程度の濃度で液体電解質に添加しても良い。 The electrolyte is composed of a conductive material that can transport electrons, holes, and ions. Among the conductive materials, an ionic conductor is preferable, and a solution, solid, or ionic liquid containing a redox system can be used. Specifically, redox systems include I − / I 3- system, Br 2- / Br 3- system, Co 2+ / Co 3+ system, Fe 2+ / Fe 3+ system, etc. Examples thereof include nitrile compounds such as acetonitrile and carbonate compounds such as propylene carbonate. Liquid electrolyte additives include conventionally used nitrogen-containing aromatic compounds such as 4-tert-butylpyridine or imidazole salts such as (1,2-dimethyl-3-propyl) imidazolium iodide. These additives may be added to the liquid electrolyte at a concentration of about 0.1 to 1.5 mol / liter.
対極は導電性を有している限り特に制限はないが、例えば導電性支持体表面に白金を蒸着させたもの、もしくは導電性カーボンを付着させたものを好適に用いることができる。 The counter electrode is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, a material obtained by depositing platinum on the surface of a conductive support or a material obtained by attaching conductive carbon can be preferably used.
色素増感半導体電極と対極との接触を防止するために、スペーサーを用いても良い。スペーサーとしては、ポリエチレン等の高分子フィルムが挙げられる。 In order to prevent contact between the dye-sensitized semiconductor electrode and the counter electrode, a spacer may be used. Examples of the spacer include a polymer film such as polyethylene.
以下に、本発明について実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
実施例1
[RuL3Cl3]錯体(200 mg) (L3は4,4’,4”−トリメトキシカルボニル−2,2’:6’,2”−テルピリジン)、2,6−ピリジンジカルボン酸 (54 mg)、及び、塩化リチウム(276 mg)をエタノールとトリエチルアミンに溶解後、加熱還流する。反応混合物を冷却後、ろ過する。ろ過物をエタノールで十分に洗浄し、210 mgの生成物を得た。1H-NMRとESI-MSで分析したところ、この生成物は、下記式(35)で表されるものであることがわかった。この生成物を、「化合物2」という。
[RuL 3 Cl 3 ] complex (200 mg) (L 3 is 4,4 ′, 4 ″ -trimethoxycarbonyl-2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine), 2,6-pyridinedicarboxylic acid (54 mg) and lithium chloride (276 mg) are dissolved in ethanol and triethylamine, and then heated to reflux. The reaction mixture is cooled and then filtered. The filtrate was washed thoroughly with ethanol to give 210 mg of product. Analysis by 1 H-NMR and ESI-MS revealed that this product was represented by the following formula (35). This product is referred to as “Compound 2”.
実施例2
化合物2(100 mg)とトリエチルアミンをジメチルホルムアミドと水に溶解後、加熱還流する。溶媒を留去後の残渣をカラムクロマトグラフィーで精製し、42 mgの生成物を得た。1H-NMRとESI-MSで分析したところ、この生成物は、下記式(36)で表されるものであることがわかった。この生成物を、「化合物3」という。
Compound 2 (100 mg) and triethylamine are dissolved in dimethylformamide and water, and then heated to reflux. The residue after evaporation of the solvent was purified by column chromatography to give 42 mg of product. Analysis by 1 H-NMR and ESI-MS revealed that this product was represented by the following formula (36). This product is referred to as “Compound 3”.
実施例3
金属酸化物半導体電極は、Coord. Chem. Rev. 2004, 248, 1381-1389に記載の方法に従って作製した。具体的には、ガラス表面に透明導電性支持体であるフッ素をドープした酸化錫が蒸着された透明導電性ガラスの表面に、半導体層として酸化チタン多孔質膜(膜厚が36μm、面積が0.25cm2)を形成したものを使用した。
Example 3
The metal oxide semiconductor electrode was produced according to the method described in Coord. Chem. Rev. 2004, 248, 1381-1389. Specifically, a titanium oxide porous film (thickness is 36 μm, area is 0 μm) as a semiconductor layer on the surface of the transparent conductive glass on which fluorine oxide as a transparent conductive support is deposited on the glass surface. .25 cm 2 ) was used.
上記方法で作製した金属酸化物半導体電極を、前記実施例2で得た化合物3のエタノール溶液(1×10−4モル/リットル)に24時間浸漬させることにより、色素増感金属酸化物半導体電極を形成した。この半導体電極と導電性ガラス表面に白金を蒸着した対極との間にポリエチレンフィルムのスペーサーと電解質溶液をはさみ、色素増感太陽電池を得た。電解質溶液としては、ヨウ化リチウム(0.1モル/リットル)、ヨウ素(0.05モル/リットル)、(1,2‐ジメチル‐3‐プロピル)イミダゾリウムアイオダイド(0.6モル/リットル)、及び、4‐tert‐ブチルピリジン(0.05モル/リットル)を含むアセトニトリル溶液を用いた。太陽電池性能はソーラーシュミレーター(AM1.5、100 mW cm-2)を用いて評価した。結果、短絡電流16.3 mA cm-2、開放電圧0.55 V、フィルファクター0.69、エネルギー変換効率6.2%を得た。また、この太陽電池の光電変換が可能な領域は400nmから900 nmまでであり、化合物1と比較して光電変換が可能な領域を長波長側に拡げることが出来た。 The dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode was prepared by immersing the metal oxide semiconductor electrode produced by the above method in an ethanol solution (1 × 10 −4 mol / liter) of the compound 3 obtained in Example 2 for 24 hours. Formed. A polyethylene film spacer and an electrolyte solution were sandwiched between the semiconductor electrode and a counter electrode obtained by depositing platinum on the surface of the conductive glass to obtain a dye-sensitized solar cell. As electrolyte solutions, lithium iodide (0.1 mol / liter), iodine (0.05 mol / liter), (1,2-dimethyl-3-propyl) imidazolium iodide (0.6 mol / liter) Acetonitrile solution containing 4-tert-butylpyridine (0.05 mol / liter) was used. Solar cell performance was evaluated using a solar simulator (AM1.5, 100 mW cm −2 ). As a result, a short-circuit current of 16.3 mA cm −2 , an open-circuit voltage of 0.55 V, a fill factor of 0.69, and an energy conversion efficiency of 6.2% were obtained. Moreover, the region where photoelectric conversion of this solar cell is possible is from 400 nm to 900 nm, and the region where photoelectric conversion is possible compared with Compound 1 was able to be extended to the long wavelength side.
実施例4
[RuL3Cl3]錯体(200 mg) (L3は4,4’,4”−トリメトキシカルボニル−2,2’:6’,2’−テルピリジン)、4−デシルオキシ−2,6−ピリジンジカルボン酸 (105 mg)、及び、塩化リチウム(276 mg)をエタノールとトリエチルアミンに溶解後、加熱還流する。反応混合物を冷却後、ろ過する。ろ過物をエタノールで十分に洗浄し、180 mgの生成物を得た。1H-NMRとESI-MSで分析したところ、この生成物は、下記式(37)で表されるものであることがわかった。この生成物を、「化合物4」という。
[RuL 3 Cl 3 ] complex (200 mg) (L 3 is 4,4 ′, 4 ″ -trimethoxycarbonyl-2,2 ′: 6 ′, 2′-terpyridine), 4-decyloxy-2,6-pyridine Dicarboxylic acid (105 mg) and lithium chloride (276 mg) are dissolved in ethanol and triethylamine, then heated to reflux, the reaction mixture is cooled and filtered, and the filtrate is washed thoroughly with ethanol to yield 180 mg. Analysis by 1 H-NMR and ESI-MS revealed that the product was represented by the following formula (37), which was referred to as “compound 4”. .
実施例5
化合物4 (100 mg)とトリエチルアミンをジメチルホルムアミドと水に溶解後、加熱還流する。溶媒を留去後の残渣をカラムクロマトグラフィーで精製し、57 mgの生成物を得た。1H-NMRとESI-MSで分析したところ、この生成物は、下記式(38)で表されるものであることがわかった。この生成物を、「化合物5」という。
Compound 4 (100 mg) and triethylamine are dissolved in dimethylformamide and water, and then heated to reflux. The residue after evaporation of the solvent was purified by column chromatography to obtain 57 mg of product. Analysis by 1 H-NMR and ESI-MS revealed that this product was represented by the following formula (38). This product is referred to as “Compound 5”.
実施例6
実施例3に記載の方法で作製した金属酸化物半導体電極を、前記実施例5で得た化合物5のエタノール溶液(1×10−4モル/リットル)に24時間浸漬させることにより、色素増感金属酸化物半導体電極を形成した。この半導体電極と導電性ガラス表面に白金を蒸着した対極との間にポリエチレンフィルムのスペーサーと電解質溶液をはさみ、色素増感太陽電池を得た。電解質溶液としては、ヨウ化リチウム(0.1モル/リットル)、ヨウ素(0.05モル/リットル)、(1,2‐ジメチル‐3‐プロピル)イミダゾリウムアイオダイド(0.6モル/リットル)、及び、4‐tert‐ブチルピリジン(0.1モル/リットル)を含むアセトニトリル溶液を用いた。太陽電池性能はソーラーシュミレーター(AM1.5、100 mW cm-2)を用いて評価した。結果、短絡電流14.1 mA cm-2、開放電圧0.60 V、フィルファクター0.66、エネルギー変換効率5.6%を得た。また、この太陽電池の光電変換が可能な領域は400nmから900nmまでであり、化合物1と比較して光電変換が可能な領域を長波長側に拡げることが出来た。
Example 6
The metal oxide semiconductor electrode produced by the method described in Example 3 was immersed in an ethanol solution (1 × 10 −4 mol / liter) of Compound 5 obtained in Example 5 for 24 hours, thereby sensitizing the dye. A metal oxide semiconductor electrode was formed. A polyethylene film spacer and an electrolyte solution were sandwiched between the semiconductor electrode and a counter electrode obtained by depositing platinum on the surface of the conductive glass to obtain a dye-sensitized solar cell. As electrolyte solutions, lithium iodide (0.1 mol / liter), iodine (0.05 mol / liter), (1,2-dimethyl-3-propyl) imidazolium iodide (0.6 mol / liter) Acetonitrile solution containing 4-tert-butylpyridine (0.1 mol / liter) was used. Solar cell performance was evaluated using a solar simulator (AM1.5, 100 mW cm −2 ). As a result, a short-circuit current of 14.1 mA cm −2 , an open-circuit voltage of 0.60 V, a fill factor of 0.66, and an energy conversion efficiency of 5.6% were obtained. Moreover, the area | region which can perform photoelectric conversion of this solar cell is 400 nm to 900 nm, and compared with the compound 1, the area | region which can be photoelectrically converted was able to be extended to the long wavelength side.
以上の結果から、化合物3、および化合物5は、色素増感型太陽電池の電極に適用できる色素として有効であることが確認できた。 From the above results, it was confirmed that Compound 3 and Compound 5 were effective as dyes applicable to the electrode of the dye-sensitized solar cell.
本発明は、太陽光エネルギーを広波長領域で効率よく光吸収する色素、及びそれを用いた太陽電池であり、産業上の利用価値が高いものである。 The present invention is a dye that efficiently absorbs sunlight energy in a wide wavelength region, and a solar cell using the same, and has high industrial utility value.
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