JP4298799B2 - 金属複合体光増感剤および光起電力セル - Google Patents
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Description
一般に「色素」(dyestuffs)として称され、光起電力セルにおいて半導体性の二酸化チタン光陽極(photoanode)層のための電荷移動光増感剤として有用な遷移金属複合体は、すでに知られている。このような複合体は、光吸収体と、固定(anchoring)基とから成る。その固定基は、遷移金属複合体を二酸化チタン層で固定化させ、光吸収体と二酸化チタン層との間の電子的カップリングを与える。光吸収体は、金属からリガンドへの電荷移動を介して入って来るフォトンを吸収し、そして、固定基を通して二酸化チタンの伝導帯へ電子を注入する。次いで、酸化された複合体は、レドックス媒体によって再生される。
このようなプロセスにおいて、半導体の二酸化チタンへ向けて電荷移動を導き、且つLUMO固定基とチタンの空軌道との間でタイトな電子的重なりを保証することは非常に重要である。
特に、色素増感されれたナノ結晶性の二酸化チタン光起電力セルのみならず、このような複合体は、PCT公開WO94/04497号およびPCT公開WO95/29924号として公開された国際特許出願中、
Chem.Commun.,1995,65中、および、ケミカルアブストラクト,128:130226a中に開示されている。
PCT公開WO94/04497号は、ルテニウムが少くとも1つのジカルボキシビピリジンリガンドに囲まれ、そのカルボキシル基が固定基の役割を果たしているルテニウム複合体を記述している。この出願のために使用されたベストな性能の電荷移動光増感剤は、シス−ジチオシアナトビス(4,4’−ジカルボキシ−2,2−ビピリジン)ルテニウム(II)複合体である。ナノ結晶性の二酸化チタン光起電力セル中でこの複合体を用いることにより、その光増感剤が400〜650nmの波長領域で吸収するAM 1.5の標準スペクトル分布の太陽光放出下で、10%の太陽エネルギー−電力変換効率が得られた。しかしながら、より長い波長においては、その光増感剤のスペクトル反応の欠如のため、入射フォトン−電流変換効率(IPCE)が低下することが見出された。
PCT公開WO94/04497号は、他の有力なルテニウム複合体を記述しており、それは、ポリピリジンリガンドによって担持された少くとも1つのリン酸化された基を介して、二酸化チタン層に固定化されることができるものである。この特別な固定基は、0〜9のより広いpH範囲においてカルボキシ基より高い安定性を有するように思われ、その複合体の部分的な脱着を回避する。不利なことに、このような複合体の吸収スペクトルの上限は、600nmより短いことが示された。
Chem.Commun.,1995,65、および、ケミカルアブストラクト,128:130226aは、1個のホスホネート化された基を有するが、金属からリガンドへの電荷移動(MLCT)バンドを、498nmおよび503nmにそれぞれ有する2つの他の有力なルテニウム複合体を記述している。
本発明は、赤および近赤外領域における増大したスペクトル反応を有する光増感剤を提供することにより、太陽エネルギー−電力交換効率を更に改良することを目的とする。
その趣旨で、本発明によれば、式(Ia):
MX3Lt(Ia);
[式中、Mはルテニウム、オスミウム、鉄、レニウム、およびテクネチウムから選ばれた遷移金属であり;
個々のXは、独立に、NCS-、Cl-、Br-、I-、CN-、NCO-、H2O、NCN2 -、非置換またはビニル、第1級、第2級または第3級のアミン、OHおよびC1〜30アルキルから選ばれた少くとも1つの基により置換されたピリジン、から選ばれた共リガンドであり;および、
Ltは、一般式(IIa)および(IIb)
{式中、R1は、H、COOH、PO(OH)2、PO(OR3)(OH)、CO(NHOH);COOH、PO(OH)2、PO(OR3)(OH)、およびCO(NHOH)から選ばれた基の少くとも1つにより置換されたフェニル、ピロカテコール基であり;R3は、C1〜30アルキルおよびフェニルから選ばれ;
R2は、H、C1〜30アルキルおよびフェニルから選ばれ;および、
AおよびBは独立に、式(IIIa)、(IIIb)、(IIIc)、(IIId)、(IIIe)、および(IIIf):
(式中、R4は、R1と同じ意味を有し;
個々のR5、R6、R7、R8、R9、R10およびR11は、R2と同じ意味を有し、且つ、置換基R1およびR4のうちの少なくとも1つがHと異なる条件下で、R2、R5、R6、R7、R8、R9、R10およびR11は互いに同じまたは異なる)から選ばれた同じまたは異なる基である}
から選ばれた式を有する三座配位のリガンドである]
の光増感剤複合体が提供される。
好ましくは、Mはルテニウムまたはオスミウムであることができ;他方
個々のXは、独立にNCS-およびCN-から選ばれ;
Ltは、式(IIa):
(式中、R1は、COOH、PO(OH)2、PO(OR3)(OH)、およびCO(NHOH)から選ばれた基の少なくとも1つにより置換されたフェニルであり;R3はC1〜30アルキルおよびフェニルから選ばれ;
AおよびBは、両方とも2−ピリジルである)
を有する。
また、好ましくは、Mはルテニウムまたはオスミウムであることができ;他方、
個々のXは、独立にNCS-およびCN-から選ばれ;
Ltは、式(IIa):
(式中、R1は、COOHであり;および
AおよびBは、両方とも4−カルボキシ−2−ピリジルである)
を有する。
更に本発明によれば、式(lb)
MXYLt(lb)
[式中、Mはルテニウムであり;
個々のXは、独立に、NCS-、Cl-、Br-、I-、CN-、NCO-、H2O、NCN2 -、非置換またはビニル、第1級、第2級または第3級のアミン、OHおよびC1〜30アルキルから選ばれた少くとも1つの基により置換されたピリジン、から選ばれた共リガンドであり;
Yは、非置換または少くとも1つのC1〜30アルキルにより置換された2,2’−ビピリジン、o−フェナントロリンから選ばれた共リガンドであり;および、
Ltは、一般式(IIa)および(IIb)
{式中、R1は、H、COOH、PO(OH)2、PO(OR3)(OH)、CO(NHOH);COOH、PO(OH)2、PO(OR3)(OH)、およびCO(NHOH)から選ばれた基の少くとも1つにより置換されたフェニル、ピロカテコール基であり;R3は、C1〜30アルキルおよびフェニルから選ばれ;
R2は、H、C1〜30アルキルおよびフェニルから選ばれ;および、
AおよびBは独立に、式(IIIa)、(IIIb)、(IIIc)、(IIId)、(IIIe)、および(IIIf):
(式中、R4は、R1と同じ意味を有し;
個々のR5、R6、R7、R8、R9、R10およびR11は、R2と同じ意味を有し、且つ、置換基R4のうちの少なくとも1つがHと異なる条件下で、R2、R5、R6、R7、R8、R9、R10およびR11は互いに同じまたは異なる)から選ばれた同じまたは異なる基である}
から選ばれた式を有する三座配位のリガンドである]
の光増感剤複合体が提供される。
好ましくは、個々のXは、独立にNCS-およびCN-から選ばれることができ;他方、
Ltは、式(IIa):
(式中、R1は、COOHであり;および
AおよびBは、両方とも4−カルボキシ−2−ピリジルである)
を有する。
更にまた本発明によれば、式(lb)
MXYLt(lb)
[式中、Mはルテニウムであり;
個々のXは、独立に、NCS-、Cl-、Br-、I-、CN-、NCO-、H2O、NCN2 -、非置換またはビニル、第1級、第2級または第3級のアミン、OHおよびC1〜30アルキルから選ばれた少くとも1つの基により置換されたピリジン、から選ばれた共リガンドであり;
Yは、非置換または少くとも1つのC1〜30アルキルにより置換された2,2’−ビピリジン、o−フェナントロリンから選ばれた共リガンドであり;および、
Ltは、一般式(IIa)
{式中、R1は、COOH、CO(NHOH);COOH、およびCO(NHOH)から選ばれた基の少くとも1つにより置換されたフェニル、ピロカテコール基であり;R3は、C1〜30アルキルおよびフェニルから選ばれ;
R2は、H、C1〜30アルキルおよびフェニルから選ばれ;および、
AおよびBは独立に、式(IIIa)、(IIIb)、(IIIc)、(IIId)、(IIIe)、および(IIIf):
(式中、R4は、Hであり;
個々のR5、R6、R7、R8、R9、R10およびR11は、R2と同じ意味を有し、且つ、R2、R5、R6、R7、R8、R9、R10およびR11は互いに同じまたは異なる)から選ばれた同じまたは異なる基である}
から選ばれた式を有する三座配位のリガンドである]
の光増感剤複合体が提供される。
好ましくは、個々のXは、独立にNCS-およびCN-から選ばれ;他方、
Ltは、式(IIa):
(式中、R1は、COOH、およびCO(NHOH)から選ばれた基の少なくとも1つにより置換されたフェニルであり;
AおよびBは、両方とも2−ピリジルである)
を有する。
更にまた本発明によれば、式(lb)
MXYLt(lb)
[式中、Mはオスミウム、鉄、レニウム、およびテクネチウムから選ばれた遷移金属であり;
個々のXは、独立に、NCS-、Cl-、Br-、I-、CN-、NCO-、H2O、NCN2 -、非置換またはビニル、第1級、第2級または第3級のアミン、OHおよびC1〜30アルキルから選ばれた少くとも1つの基により置換されたピリジン、から選ばれた共リガンドであり;
Yは、非置換または少くとも1つのC1〜30アルキルにより置換された2,2’−ビピリジン、o−フェナントロリンから選ばれた共リガンドであり;および、
Ltは、一般式(IIa)および(IIb)
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R2は、H、C1〜30アルキルおよびフェニルから選ばれ;および、
AおよびBは独立に、式(IIIa)、(IIIb)、(IIIc)、(IIId)、(IIIe)、および(IIIf):
(式中、R4は、R1と同じ意味を有し;
個々のR5、R6、R7、R8、R9、R10およびR11は、R2と同じ意味を有し、且つ、R2、R5、R6、R7、R8、R9、R10およびR11は、置換基R1およびR4のうちの少なくとも1個がHとは異なるという条件下で、互いに同じまたは異なる)から選ばれた同じまたは異なる基である}
から選ばれた式を有する三座配位のリガンドである]
の光増感剤複合体が提供される。
好ましくは、Mはオスミウムであり;他方、
個々のXは、独立にNCS-およびCN-から選ばれ;
Ltは、式(IIa):
(式中、R1は、COOH、PO(OH)2、PO(OR3)(OH)およびCO(NHOH)から選ばれた基の少くとも1つにより置換されたフェニルであり;R3は、C1〜30アルキルおよびフェニルから選ばれ;
AおよびBは、両方とも2−ピリジルである)
を有する。
また、好ましくは、Mはオスミウムであり;他方、
個々のXは、独立にNCS-およびCN-から選ばれ;および、
Ltは式(IIa):
(式中、R1はCOOHであり;および、
AおよびBは、両方とも4−カルボキシ−2−ピリジルである)
を有する。
本発明は、先行技術の遷移金属複合体との比較において、式(Ia)および(lb)の遷移金属複合体が、赤および近赤外領域で実質的に増大したスペクトル反応を発揮するという予想外の性質を有するということを示した大規模な研究に基づく。
この性質により、最高920nmの近赤外領域にまで広がる、全可視光線スペクトルにわたる非常に効率的な全整色性(panchromatic)の増感を有する光起電力セルにおいて、半導体性の二酸化チタン光陽極層のために電荷移動光増感剤としての、式(Ia)または(lb)の複合体の使用が可能となる。
遷移金属、特にルテニウムまたはオスミウムの周りの配位のタイプ、およびその金属を囲むリガンドLtおよび共リガンド(co-ligand)Xおよび/又はYの性質が、このようなスペクトルの性質を得るために非常に重要であり、そして、リガンドと共リガンドのクレームされた組合せは、効率的なエネルギー変換のための太陽スペクトルに有利に適合する。共リガンドXがシアニドアニオンまたはチオシアニドアニオン等の負に帯電した種であり、且つ共リガンドYが電子供与体4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジンであるときに、これは特にあてはまる。
有力な三座配位リガンドLtの中で、さらに、光増感剤複合体に対して、カルボキシレート基[COOH]、ホスホネート基[PO(OH)2、PO(OR3)(OH)またはPO(OR3)2]、ヒドロキサメート基[CO(NHOH)]、またはサリチレート基[o−カルボキシヒドロキシフェニル]またはピロカテコール基[o−ジヒドロキシフェニル]等のキレート化基から選ばれた少くとも1つの固定基が与えられる際に、以下の式を有する化合物は、光増感剤のスペクトルの性質の増加に対して最善の寄与をする:
更に本発明によれば、少くとも1つの二酸化チタン層が適用された支持体上に堆積された電気的に伝導性の層を含む光起電力セルであって;それが前記二酸化チタン層に適用された光増感剤として、上記で特定された式(Ia)または(lb)の光増感剤複合体を含むことを特徴とする光起電力セルが提供される。
添付の図面を参照しつつ、本発明を以下の例により説明する。添付の図面は、以下の通りである:
図1は、それに電荷移動増感剤として適用された式(Ia)または(lb)の遷移金属複合体を有するナノ構造体化された半導体性の二酸化チタン膜を備えた光陽極を含む光起電力セルのレイアウトおよび機能の模式的な説明図であり;
図2は、入射フォトン電流変換効率(IPCE)が波長の関数としてプロットされている、このようなセルの光電流作用スペクトルを示すグラフであり、および、
図3は、図2のグラフに類似するグラフであり、先行技術のシス−ジチオシアナト−ビス(4,4’−ジカルボキシ−2,2’−ビピリジン)ルテニウム(II)複合体を用いる類似したセル、半導体性の二酸化チタン光陽極層のための電荷移動光増感剤として、それぞれ他の先行技術のルテニウム複合体を用いる他の2つの類似したセル、および光増感剤を用いていないもう一つの類似した光起電力セルとの比較における、式(Ia)または(lb)の遷移金属複合体を用いる光起電力セルの光電流作用スペクトルをそれぞれ示すグラフである。
例1:複合体トリチオシアナト(4,4’,4”−トリカルボキシ−2,2’:6’,2”−ターピリジル)ルテニウム(II)、すなわちLtが4,4’,4”−トリカルボキシ−2,2’:6’,2”−ターピリジンである式Ru(NCS)3Ltの複合体の製造
a)4,4’,4”−トリメチル−2,2’:6’,2”−ターピリジンの製造
4−メチル−ピリジン(900mL、KOHペレット上で還流し、新たに蒸留したもの)、およびパラジウム黒(palladium on charcoal、5%、37g)を、化学平衡に到達するまで浴上で170℃で加熱した。その反応液を熱い状態で濾過(filtered hot)し、その触媒を熱いトルエンで洗浄し、濾液を放置して結晶化させた。その4,’4’−ジメチル−2,2’−ビピリジンの結晶を濾過し、トルエンで洗浄した。母液を結合し、その体積の1/3まで濃縮して、0℃で結晶化させた。この第2収量のビピリジンを上記のように処理し、母液を減圧下で蒸発乾固させた。母液のビピリジンおよびターピリジン成分を、2.67Pa(0.02mmHg)、浴温度80〜100℃(装置の幾何学的配置に依存する)での注意深い多段分別昇華によって分離した。これらの条件の下で、その4,4’,4”−トリメチル−2,2’:6’,2”−ターピリジンは残渣に蓄積する。結合した純粋なターピリジン画分を2.67Pa(0.02mmHg)、120〜140℃で二度昇華させて、15gのオフホワイトの4,4’,4”−トリメチル−2,2’:6’,2”−ターピリジンを得た(いくつかの画分については、非常に純粋な4,4、’,4”−トリメチル−2,2’:6’,2”−ターピリジンを得るために、ジクロロメタンを溶出剤とするシリカゲル上のカラムクロマトグラフィーを用いた)。
質量分析(70eV、化学イオン化/NH3)m/e(相対強度):277(6.6、M+2)、276(37.8;M十1)、275(100.0;M)、274(25.8)、260(3.91、M−15)、247(1.4、M−28)、233(1.9、M−42)、183(1.1、M−92)、92(4.58、M−183)。
1H−NMR(CDCl3)δppm:2.50(6H、s)、2.58(3H、s)、7.15(2H、d)、8.26(2H、s)、8.40(2H、s)、8.55(2H、d)。
b)4,4’,4”−トリカルボキシ−2,2’:6’,2”−ターピリジンの製造
硫酸(4mL)中の4,4’,4’’−トリメチル−2,2’:6’,2”−ターピリジン(0.32g;1.16ミリモル)の氷冷溶液に対して、三酸化クロム(1.05g;10.5ミリモル)を加えた。75℃で4時間攪拌し、50mLの氷水に注ぎ、次いで、水(165ml)で希釈し、そして、遠心機中で白沈殿を分離して、pH=7まで洗浄し、乾燥させた。4,4’,4”−トリカルボキシ−2,2’:6’,2”−ターピリジン(0.15g;41%)を緑がかった白アモルファス粉末として得た。
質量分析(70eV、化学イオン化/NH3)m/e(相対強度):366(12.22;M+1)、365(12.57;M)、322(16.44)、321(55.11、M−44)、293(4.05)、231(1.34、M−3×44+3)、79(100)。
1H−NMR(D2O/NaOH)δppm:7.52(2H、d)、8.13(2H、s)、8.31(2H、s)、8.43(2H、d)。
c)トリチオシアナト(4,4’,4”−トリカルボキシ−2,2’:6’,2”−ターピリジル)ルテニウム(II)のテトラブチルアンモニウム塩の製造:
RuCl3・xH2O(60mg、0.23ミリモル)および4,4’,4”−トリカルボキシ−2,2’:6’,2”−ターピリジン(70mg、0.19ミリモル)を、30mlのDMFを含む100のmlの3つ口のフラスコに加え、そして、その混合物を通して15分間窒素バブリングした。フラスコの周りをアルミニウムホイルで包むことによって、混合物を光から保護し、次いで120℃で2時間加熱した。茶色−緑溶液を110℃にわずかに冷却し、DMF/水の4:1混合物の5ml中に溶解した過剰のKSCN(0.9g、9ミリモル)を加え、同じ温度で光を遮断しつつ更に70時間加熱を続けた。この時間の後、その混合物の色は、茶色−緑から緑に変化した。次いで、固体の水和テトラブチルアンモニウム水酸化物の形の塩基(TBAOH、0.48g)を加え、そして混合物を110℃で更に24時間加熱した。反応混合物をロータリーエバポレータでフォトンど乾燥状態とし、そして、更に0.6gのTBAOHを加え、次いで約100mLの脱イオン水を加えた(その溶液のpHは約11.7であった)。得られた紫の溶液を濾過して少量の不溶材料を除き、希塩酸でpH4に調節した。直ちに暗い緑沈殿が形成したが、その生成物を集めるために、濾過より前に、懸濁液を一晩中冷蔵した。
収率;192mg(87%)のトリチオシアナト(4,4’,4”−トリカルボキシ−2,2’:6,2”−ターピリジル)ルテニウム(II)のテトラブチルアンモニウム塩。その生成物を更に精製するために、ゲル浸透クロマトグラフィーを用いることができる。
微量分析:実測値:C54.7;H7.0;N10.1。
C53H81N8O6S3Ru・2H2Oに対する計算値:C54.9;H7.4;N9.7。
エタノール中の複合体のUV−可視吸収スペクトルは、620nmで金属からリガンドへの強い電荷移動バンドを示す。
1H NMRスペクトル(CD3OD,ppm):1.03(t、24H、CH 3)、1.55(q、16H、CH 2CH3)、1.70(m、16H、NCH2CH 2)、3.28(t、16H、NCH 2)、8.23(dd、2H、H−5、H−5’)、8.95(d、2H、H−3、H−3’、s、2H、H−3”)、9.17(d、2H、H−6、H−6’)。
13C NMRスペクトル(CD3OD、ppm):13.95、20.74、24.83、59.6、122,12、122.99、129.89、136.62、138.16、142.30、154.86、160.80、162.19、167.66。
例2:複合体トリチオシアナト(4’−(4−フェニルホスホネート)−2,2’:6’,2”−ターピリジル)ルテニウム(II)、すなわち、Ltが4’−(4−フェニルホスホネート)−2,2’:6’,2”−ターピリジンである式Ru(NCS)3Ltの複合体の製造
a)4’−(4−フェニルホスホネート)−2,2’:6’,2”−ターピリジンの製造:
このリガンドは、記述された方法(H.Toshikazuら、Synthesis、1981、56)にに従って製造した。
b)トリチオシアナト(4’−(4−フェニルホスホネート)−2,2’:6’,2”−ターピリジル)ルテニウム(II)のテトラブチルアンモニウム塩の製造:
この複合体は、例1において記述した方法と類似した方法によって製造した。
この複合体のエタノール中のUV−可視吸収スペクトルは、580nmで金属からリガンドへの強い電荷移動バンドを示す。
例3:複合体トリチオシアナト(4’−(4−カルボキシフェニル)−2,2’:6’,2”−ターピリジル)ルテニウム(II)、すなわちLtが4’−(4−カルボキシフェニル)−2,2’:6’,2”−ターピリジンである式Ru(NCS)3Ltの複合体の製造
a)4’−(4−カルボキシフェニル)−2,2’:6’,2”−ターピリジンの製造:
このリガンドは、例1b中で記述した方法に類似した方法によって、既知の4’−(4−メチルフェニル)−2,2’:6’,2”−ターピリジンを酸化することによって製造した。
b)トリチオシアナト(4’−(4−カルボキシフェニル)−2,2’:6’,2”−ターピリジル)ルテニウム(II)のテトラブチルアンモニウム塩の製造:
この複合体は、例1に記述した方法に類似した方法によって製造した。
この複合体のエタノール中のUV−可視吸収スペクトルは、600nmで金属からリガンドへの強い電荷移動バンドを示す。
例4:複合体トリシアノ(4,4’,4”−トリカルボキシ−2,2’:6’,2”−ターピリジル)ルテニウム(II)、すなわちLtが4,4’,4”−トリカルボキシ−2,2’:6’,2”−ターピリジンである式Ru(NC)3Ltの複合体の製造
この複合体のテトラブチルアンモニウム塩は,例1中で記述した方法に類似した方法によって製造した。
この複合体のエタノール中のUV−可視吸収スペクトルは、540nmで金属からリガンドへの強い電荷移動バンドを示す。
例5:複合体トリシアノ(4’−(4−フェニルホスホネート)−2,2’:6’,2”−ターピリジル)ルテニウム(II)、すなわちLtが4’−(4−フェニルホスホネート)−2,2’:6’,2”−ターピリジンである式Ru(NC)3Ltの複合体の製造
この複合体のテトラブチルアンモニウム塩は、例1中で記述した方法に類似した方法によって製造した。
この複合体のエタノール中のUV−可視吸収スペクトルは、520nmで金属からリガンドへの強い電荷移動バンドを示す。
例6:複合体トリシアノ(4’−(4−カルボキシフェニル)−2,2’:6’,2”−ターピリジル)ルテニウム(II)、すなわちLtが4’−(4−カルボキシフェニル)−2,2’:6’,2”−ターピリジンである式Ru(NC)3Ltの複合体の製造:
この複合体のテトラブチルアンモニウム塩は、例1中で記述した方法に類似した方法によって製造した。
この複合体のエタノール中のUV−可視吸収スペクトルは、530nmで金属からリガンドへの強い電荷移動バンドを示す。
例7:複合体チオシアナト(4’−(4−カルボキシフェニル)−2,2’:6’,2”−ターピリジル)(4,4−ジメチル−2,2’−ビピリジル)ルテニウム(II)、すなわちLtが4’−(4−カルボキシフェニル)−2,2’:6’,2”−ターピリジンであり、Yが、4,4−ジメチル−2,2’−ビピリジンである式Ru(NCS)YLtの複合体の製造
510nmに強い金属からリガンドへの電荷移動バンドを示すUV−可視吸収スペクトルを有するこの複合体のテトラブチルアンモニウム塩を、公知の複合体チオシアナト(4’−(4−フェニルホスホネート)−2,2’:6,2”−ターピリジル)(4,4−ジメチル−2,2’−ビピリジル)ルテニウム(II)の製造に適用された下記のものに類似した方法によって製造した。
この反応の合成および仕上げは、可能な異性化を避けるために、減光下で実施した。RuCl2(dmso)4(0.484g)を、30mlのDMFを含む100mL 3つ口のフラスコに溶解し、その混合物を通して15分間窒素バブリングした。この溶液に、4’−(4−フェニルホスホネート)−2,2’:6’,2”−ターピリジン(0.375g)を加えた。フラスコの周りをアルミニウムホイルで包むことによって反応フラスコを光から保護し、次いで、120℃で3時間加熱した。この溶液に、4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジンリガンド(0.184g)を加え、窒素雰囲気下で更に4時間還流した。反応混合物を110℃に冷却し、DMF/水の4:1混合物5ml中に溶解した過剰のKSCN(0.9g、9ミリモル)を加え、そして、光を遮断しつつ更に5時間同じ温度で加熱を続けた。その混合物の色は、この時間の後変化した。次いで、固体の水和テトラブチルアンモニウム水酸化物の形の塩基(TBAOH、0.48g)を加え、そして、その混合物を110℃で更に4時間加熱した。反応混合物をロータリーエバポレータ上で殆ど乾燥状態とし、そして更に0.6gのTBAOHを、続いて約100mlの脱イオン水を加えた(その溶液のpHは、約11.7であった)。得られた紫の溶液を、少量の不溶材料を除くために濾過し、希塩酸でpH2.5に調節した。濃い沈殿が直ちに形成されたが、その生成物を集めるために、濾過より前に、その懸濁液を一晩中冷蔵した。それを室温(25℃)にまで冷却させた後に、それを焼結(G−4)ガラスルツボを通して濾過し、減圧下で乾燥させた。収率60%のチオシアナト(4’−(4−フェニルホスホネート)−2,2’:6’,2”−ターピリジル)(4,4−ジメチル−2,2’−ビピリジル)ルテニウム(II)のテトラブチルアンモニウム塩。
例8:複合体チオシアナト(4,4’,4”−トリカルボキシ−2,2’:6’,2”−ターピリジル)(4,4、−ジメチル−2,2’−ビピリジル)ルテニウム(II)、すなわちLtが4,4’,4”−トリカルボキシ−2,2’:6’,2”−ターピリジンであり、Yが4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジンである式Ru(NCS)YLtの複合体の製造
この複合体のテトラブチルアンモニウム塩は、例7中で記述した方法に類似した方法によって製造した。
この複合体のエタノール中のUV−可視吸収スペクトルは、520nmで金属からリガンドへの強い電荷移動バンドを示す。
例9:複合体シアノ(4’−(4−カルボキシフェニル)−2,2’:6’,2”−ターピリジル)(4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジル)ルテニウム(II)、すなわちLtが4’−(4−カルボキシフェニル)−2,2’:6’,2”’−ターピリジンであり、Yが4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジンである式Ru(NC)YLtの複合体の製造
この複合体のテトラブチルアンモニウム塩は、例7中で記述した方法に類似した方法によって製造した。
この複合体のエタノール中のUV−可視吸収スペクトルは、510nmで金属からリガンドへの強い電荷移動バンドを示す。
例10:複合体シアノ(4,4’,4”−トリカルボキシ−2,2’:6’,2”−ターピリジル(4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジル)ルテニウム(II)、すなわちLtが4,4’,4”−トリカルボキシ−2,2’:6’,2”−ターピリジンであり、Yが4,4’−:ジメチル−2,2’−ビピリジンである式Ru(NC)YLt複合体の製造
この複合体のテトラブチルアンモニウム塩は、例7中で記述した方法に類似した方法で製造した。
この複合体のエタノール中のUV−可視吸収スペクトルは、520nmで金属からリガンドへの強い電荷移動バンドを示す。
例11:複合体シアノ(4’−(4−カルボキシフェニル)−2,2’:6’,2”−ターピリジル)(4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジル)オスミウム(II)、すなわちLtが4’−(4−カルボキシフェニル)−2,2’:6’,2”−ターピリジンであり、Yが4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジンである式Os(NC)YLtの複合体の製造
この複合体のテトラブチルアンモニウム塩は、NH4OsCl6およびエチレングリコールを溶媒として用いる、例7中で記述した方法に類似した方法によって製造した。
この複合体のエタノール中のUV−可視吸収スペクトルは、510nm、650nmおよび700nmで金属からリガンドへの強い電荷移動バンドを示す。
例12:複合体シアノ(4,4’,4”−トリカルボキシ−2,2’:6’,2”−ターピリジル)(4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジル)オスミウム(II)、すなわちLtが4,4’、4”−トリカルボキシ−2,2’:6’,2”−ターピリジンであり、Yが4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジンである式Os(NC)YLtの複合体の製造
この複合体のテトラブチルアンモニウム塩は、例11中で記述した方法に類似した方法によって製造した。
この複合体のエタノール中のUV−可視吸収スペクトルは、510nm、650nmおよび700nmで金属からリガンドへの強い電荷移動バンドを示す。
例13:複合体シアノ(4’−(4−フェニルホスホネート)−2,2’:6’,2”−ターピリジル)(4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジル)オスミウム(II)、すなわちLtが4’−(4−フェニルホスホネート)−2,2’:6’,2”−ターピリジンであり、Yが4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジンである式Os(NC)YLtの複合体の製造
この複合体のテトラブチルアンモニウム塩は、例11中で記述した方法に類似した方法によって製造した。
この複合体のエタノール中でのUV−可視吸収スペクトルは、490nm、640nmおよび700nmで金属からリガンドへの強い電荷移動バンドを示す。
例14:複合体チオシアナト(4’−(4−フェニルホスホネート)−2,2’:6’,2”−ターピリジル)(4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジル)オスミウム(II)、すなわちLtが4’−(4−フェニルホスホネート)−2,2’:6’,2”−ターピリジンであり、Yが4,4’−(ジメチル−2,2’−ビピリジン)である式Os(NCS)YLtの複合体の製造
この複合体のテトラブチルアンモニウム塩は、例9中で記述した方法に類似した方法によって製造した。
この複合体のエタノール中のUV−可視吸収スペクトルは、510nm、650nmおよび700nmで金属からリガンドへの強い電荷移動バンドを示す。
応用例:図1中で示され、伝導性ガラス上に支持された二酸化チタン膜の増感に基づく光起電力デバイスを以下のように組み立てる:
空気中で450℃、30分で加熱しつつ、伝導性のガラス支持体(アサヒTCOガラス、フッ素ドープSnO2上層、可視での透過>85%、シート抵抗7〜8Ω/スクェア)上にコロイド状のTiO2粒子の粘性の分散体を塗布することにより、ナノ結晶性のTiO2膜を製造した。コロイド状のTiO2分散体の2つの製造方法を使用した。方法Aは、200℃に代えてオートクレーブを230または240℃で行ったことを除き、以前に記述した方法に従った(O’Regan,B.;Graetzel,M.,Nature(ロンドン)1991、353、737]。コロイドを伝導性のガラス支持体上に塗布し、焼成した後、コロイド状のTiO2膜上に、Ti(III)水溶液から、少数(a few)のTiO2の単層を電着し[Kavan,L.;O’Regan,B.;Kay,A.;Graetzel,M.,J.Electroanal.Chem.,1993、346、291]、続いて450℃で更新(renewed)アニーリングした。この処理は、その太陽電池の開路電圧のみならず、短絡光電流をも顕著に改良することが判明した。得られたこのようなTiO2膜の2つの異なる倍率での走査電子顕微鏡法による断面により、最下層のガラス支持体に続き、0.7μm厚さのフッ素ドープSnO2、および10μm厚さのコロイド状TiO2膜の3層構造の存在を確認した。高分解能の観察は、約15nmの平均サイズを有する相互に連結した粒子の三次元のネットワークから成るTiO2膜があることを示す。
ナノ結晶性の膜の製造の第2の方法(方法B)は、市販のTiO2(P25、デグッサ社(Degussa AG)、ドイツ、約30%のルチルおよび70%のアナターゼの混合物、BET表面積55m2/g)を使用した。これは、TiCl4の火炎加水分解によって製造され、凝集した粒子から成る。電子顕微鏡法は、約25nmの一次粒子の平均サイズを示す。会合物を分離した粒子に壊す目的で、粒子の再凝集を防ぐためのアセチルアセトン(0.4mL)を含む少量の水(4mL)とともに、粉末(12g)を磁器乳鉢中で摩砕した。酸、塩基またはTiO2キレート剤等の他の安定剤も適していることも判明した。高い剪断力で粘性のペースト中にその粉末を分散した後、摩砕を続けつつ、それをゆっくりの水(16mL)の添加により希釈した。最後に、基材上へのコロイドの塗布を容易にするために、デタージェント(0.2mlのトリトンX−100、アルドリッチ(Aldrich))を加えた。TiO2膜の厚さを制御するため、および電気接触のために非コート領域を与えるために、伝導性のガラス板を2つの平行のエッジ上で接着テープ(約40μm厚さ)でカバーした。コロイド(5μL/cm2)は、伝導性ガラスの自由エッジの一つに塗布し、テープでカバーしたエッジ上をスライドするガラス棒で分布させた。空気乾燥の後、その電極を空気中で450〜550℃、30分間火に当てた。得られた膜厚は、12μmであったが、コロイド濃度または接着テープ厚さを変えることによって、変えることができる。
増感した光陽極としての膜の性能は、TiCl4水溶液からのTiO2の堆積により更に改良された。非常に高い発熱性の加水分解反応によるTiO2の沈殿を防ぐために、2MのTiCl4原液を0℃で製造した[Kavan,L.;O’Regan,B.;Kay,A.;Graetzel,M.,J.Electroanal.Chem.,1993、346、291]。この原液を新たに水で希釈して0.2MのTiCl4とし、その電極上へ塗布した(50μL/cm2)。閉じたチャンバ中、室温で一晩中放置した後に、その電極を蒸留水で洗浄した。色素溶液に浸す直前に、それを空気中で450〜550℃、30分間で再び火を当てた。Ti(III)水溶液からの電着と同様に、この方法は、TiO2膜上にナノメートルのサイズのTiO2粒子の核形成を生じ、更にその活性な表面積を増加させた。更に、上記したTi(III)溶液からのTiO2の陽極堆積と同様に、この処理は、非常に低い不純物含量を有する堆積をもたらすように見える。これは、洗い落とす代わりの加熱(firing)の前にTiCl4溶液を蒸発させるならば、上記の処理が無効になるという事実によって確証される。Fe3+等の、TiCl4中の不純物は、TiO2と比較した酸化鉄のより高い溶解性のために、酸性のTiCl4溶液からの加水分解によって堆積されない。逆に、TiCl4溶液の蒸発によって、不純物の堆積が生じる。上記のP25粉末は、最高100ppmまでのFe2O3を含むが、これは励起した色素からの電子注入を妨害することが知られている。TiCl4処理は、汚いコアよりむしろこれを高純度TiO2の薄層でカバーし、注入効率および半導体−電解質結合のブロッキング性を改良する[Kavan,L.;0’Regan,B.;Kay,A.;Graetzel,M.,J.Electroanal.Chem.,1993、346、291]。
上記の処理は、表面粗さ係数約200〜1000のアナターゼ膜を製造する。
連続アルゴン流の下で冷却した後、ガラスシートを直ちに、エタノール中、例1のルテニウム複合体のテトラブチルアンモニウム塩を含む2×10-4Mの溶液で、更に、共吸着剤として40mMのタウロ(tauro)デオキシコール酸を含む溶液へ移す。電極表面での水酸基の存在が色素取込みを妨害するため、TiO2表面のヒドロキシル化を防ぐ目的で、色素吸着に先行する膜の外気への長い曝露は避けられる。エタノール性溶液からの光増感剤の吸着を10時間続けさせ、その後にガラスシートを引き上げ、無水エタノールで短く洗浄する。そのシートの上のTiO2層は、光増感剤コーテングのために黒い色を呈した。
60%のメトキシプロピオニトリル、40%のアセトニトリル、0.5Mの4−tert−ブチルピリジン、0.1MのLiI、0.6Mの1,2−ジメチル−3−プロピル イミダゾリウムヨウ化物、および0.1MのI2の溶液を含むレドックス電解液とともに、光起電力セル中でテストした際に、このようにして得た12mmの厚さを有する黒色の膜は顕著な性能を示した。図2は、このようなセルの光電流作用スペクトルを示し、その中で、入射フォトン−電流変換効率(IPCE)は、励起波長の関数としてプロットされている。これは、下記の方程式から導かれた:
(1) IPCE(%)=[(1.24×103)×光電流密度(μA/cm2)/[波長(nm)×フォトン束(W/m2)]
光電流作用スペクトルと太陽放射との重なりから、太陽光から電気への全体の変換効率ηは、下記式から計算される。
(2) η=12×OCV×FF(%)、
(式中、OCVは開放電圧であり、FFは光起電力セルのフィル係数(fill factor)である。)
式2の実験的確認のために、光陽極として透明伝導性の二酸化スズ層(6)およびガラス基材(7)を含む伝導性ガラス(動作電極)上に支持された、光増感剤をロードしたTiO2(5)膜を介して、例1のルテニウム複合体(4)を用いて、図1に示す光起電力セルを組み立てる。そのセルは、サンドイッチ状の配置を有し、動作電極(4〜7)は、約20ミクロンの厚さを有する電解質(3)の薄層によって、その対向電極(1、2)と分離されている。対向電極は、これもアサヒ伝導性ガラス製のガラス基材(1)上に堆積された伝導性の二酸化スズ層(2)を含み、動作電極の最上部に直接に配置される。白金の単分子の透明層は、ヘキサクロロ白金酸の水溶液からの電気メッキにより、対向電極(1、2)の伝導性ガラス上に堆積される。白金の役割は、その対向電極でのヨウ素の電気化学的還元を高めることである。その対向電極の透明性は、それが前向きおよび後ろ向きの方向の両方ともの光の取り入れを許容するため、光起電力応用に対する利点がある。実験は、AM1.5の太陽放射をシミュレーションするために、適当なフィルタを装着した高圧キセノンランプで行われる。光の強さは、平方メートル当たり50〜600ワットの間で、開放電圧は660〜800mVの間でそれぞれ変えられる。開放電圧および短絡電流の積で割ったセルの最大電力アウトプットとして定義されるフィル係数は、0.7〜0.75Vの間にある。全可視スペクトルをカバーし、更に最高920nmまでの近赤外領域に広がる幅広い特性が得られ、プラトー領域におけるIPCE値は約80%である。伝導性ガラスの光損失を考慮に入れると、電流発生効率は、400〜700nmの幅広い波長範囲にわたって実際的には100%である。この曲線の標準グローバルAM 1.5の太陽放射との重なり積分は、20mA/cm2の光電流密度を与える。
図3上に示される各曲線の比較は、それぞれ以下を示す:
−曲線1:電荷移動光増感剤として式(I)の遷移金属複合体を用いる上記の光起電力セルの光電流作用スペクトル;
−曲線2:先行技術の光増感剤シス−ジチオシアナトビス(4,4’−ジカルボキシ−2,2’−ビピリジン)ルテニウム(II)複合体を用いる類似した光起電力セルの光電流作用スペクトル;
−曲線3:bpyがビピリジルを意味し、Lが4,4’−ジカルボキシ−2,2’−ビピリジンである式RuL2[Ru(bpy)2(CN)2]2を有する先行技術の光増感剤を用いる他の類似した光起電力セルの光電流作用スペクトル;
−曲線4:Lが上記した意味を有する式RuL3を有する先行技術の光増感剤を用いる更に他の類似した光起電力セルの光電流作用スペクトル;および、
−曲線5:光増感剤を用いない更に他の類似した光起電力セルの光電流作用スペクトル。
上記の比較は、明らかに、可視光線スペクトル全体上の全整色性増感の全体効率のみならず、赤および近赤外領域におけるスペクトル反応に関して、式(I)の複合体の優越を示している。
Claims (11)
- 式(Ia);
MX3Lt(Ia);
[式中、Mはルテニウム、オスミウム、鉄、レニウム、およびテクネチウムから選ばれた遷移金属であり;
個々のXは、独立に、NCS-、Cl-、Br-、I-、CN-、NCO-、H2O、NCN2 -、非置換またはビニル、第1級、第2級または第3級のアミン、OHおよびC1〜30アルキルから選ばれた少くとも1つの基により置換されたピリジン、から選ばれた共リガンドであり;および、
Ltは、一般式(IIa)および(IIb)
{式中、R1は、H、COOH、PO(OH)2、PO(OR3)(OH)、CO(NHOH);COOH、PO(OH)2、PO(OR3)(OH)、およびCO(NHOH)から選ばれた基の少くとも1つにより置換されたフェニル、ピロカテコール基であり;R3は、C1〜30アルキルおよびフェニルから選ばれ;
R2は、H、C1〜30アルキルおよびフェニルから選ばれ;および、
AおよびBは独立に、式(IIIa)、(IIIb)、(IIIc)、(IIId)、(IIIe)、および(IIIf):
(式中、R4は、R1と同じ意味を有し;
個々のR5、R6、R7、R8、R9、R10およびR11は、R2と同じ意味を有し、且つ、置換基R1およびR4のうちの少なくとも1つがHと異なる条件下で、R2、R5、R6、R7、R8、R9、R10およびR11は互いに同じまたは異なる)から選ばれた同じまたは異なる基である}
から選ばれた式を有する三座配位のリガンドである]
の光増感剤複合体。 - 式(lb)
MXYLt(lb)
[式中、Mはルテニウムであり;
個々のXは、独立に、NCS-、Cl-、Br-、I-、CN-、NCO-、H2O、NCN2 -、非置換またはビニル、第1級、第2級または第3級のアミン、OHおよびC1〜30アルキルから選ばれた少くとも1つの基により置換されたピリジン、から選ばれた共リガンドであり;
Yは、非置換または少くとも1つのC1〜30アルキルにより置換された2,2’−ビピリジン、o−フェナントロリンから選ばれた共リガンドであり;および、
Ltは、一般式(IIa)および(IIb)
{式中、R1は、H、COOH、PO(OH)2、PO(OR3)(OH)、CO(NHOH);COOH、PO(OH)2、PO(OR3)(OH)、およびCO(NHOH)から選ばれた基の少くとも1つにより置換されたフェニル、ピロカテコール基であり;R3は、C1〜30アルキルおよびフェニルから選ばれ;
R2は、H、C1〜30アルキルおよびフェニルから選ばれ;および、
AおよびBは独立に、式(IIIa)、(IIIb)、(IIIc)、(IIId)、(IIIe)、および(IIIf):
(式中、R4は、R1と同じ意味を有し;
個々のR5、R6、R7、R8、R9、R10およびR11は、R2と同じ意味を有し、且つ、置換基R4のうちの少なくとも1つがHと異なる条件下で、R2、R5、R6、R7、R8、R9、R10およびR11は互いに同じまたは異なる)から選ばれた同じまたは異なる基である}
から選ばれた式を有する三座配位のリガンドである]
の光増感剤複合体。 - 式(lb)
MXYLt(lb)
[式中、Mはルテニウムであり;
個々のXは、独立に、NCS-、Cl-、Br-、I-、CN-、NCO-、H2O、NCN2 -、非置換またはビニル、第1級、第2級または第3級のアミン、OHおよびC1〜30アルキルから選ばれた少くとも1つの基により置換されたピリジン、から選ばれた共リガンドであり;
Yは、非置換または少くとも1つのC1〜30アルキルにより置換された2,2’−ビピリジン、o−フェナントロリンから選ばれた共リガンドであり;および、
Ltは、一般式(IIa)
{式中、R1は、COOH、CO(NHOH);COOH、およびCO(NHOH)から選ばれた基の少くとも1つにより置換されたフェニル、ピロカテコール基であり;R3は、C1〜30アルキルおよびフェニルから選ばれ;
R2は、H、C1〜30アルキルおよびフェニルから選ばれ;および、
AおよびBは独立に、式(IIIa)、(IIIb)、(IIIc)、(IIId)、(IIIe)、および(IIIf):
(式中、R4は、Hであり;
個々のR5、R6、R7、R8、R9、R10およびR11は、R2と同じ意味を有し、且つ、R2、R5、R6、R7、R8、R9、R10およびR11は互いに同じまたは異なる)から選ばれた同じまたは異なる基である}
から選ばれた式を有する三座配位のリガンドである]
の光増感剤複合体。 - 式(lb)
MXYLt(lb)
[式中、Mはオスミウム、鉄、レニウム、およびテクネチウムから選ばれた遷移金属であり;
個々のXは、独立に、NCS-、Cl-、Br-、I-、CN-、NCO-、H2O、NCN2 -、非置換またはビニル、第1級、第2級または第3級のアミン、OHおよびC1〜30アルキルから選ばれた少くとも1つの基により置換されたピリジン、から選ばれた共リガンドであり;
Yは、非置換または少くとも1つのC1〜30アルキルにより置換された2,2’−ビピリジン、o−フェナントロリンから選ばれた共リガンドであり;および、
Ltは、一般式(IIa)および(IIb)
{式中、R1は、H、COOH、PO(OH)2、PO(OR3)(OH)、CO(NHOH);COOH、PO(OH)2、PO(OR3)およびCO(NHOH)から選ばれた基の少くとも1つにより置換されたフェニル、ピロカテコール基であり;R3は、C1〜30アルキルおよびフェニルから選ばれ;
R2は、H、C1〜30アルキルおよびフェニルから選ばれ;および、
AおよびBは独立に、式(IIIa)、(IIIb)、(IIIc)、(IIId)、(IIIe)、および(IIIf):
(式中、R4は、R1と同じ意味を有し;
個々のR5、R6、R7、R8、R9、R10およびR11は、R2と同じ意味を有し、且つ、置換基R1およびR4のうちの少なくとも1個がHとは異なるという条件下で、R2、R5、R6、R7、R8、R9、R10およびR11は互いに同じまたは異なる)から選ばれた同じまたは異なる基である}
から選ばれた式を有する三座配位のリガンドである]
の光増感剤複合体。 - 少くとも1つの二酸化チタン層が適用された支持体上に堆積された電気的に伝導性の層を含む光起電力セルであって;
それが前記二酸化チタン層に適用された光増感剤として、請求項1、4、6または8のいずれかで特定された式(Ia)または(lb)の光増感剤複合体を含むことを特徴とする光起電力セル。
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