KR101264082B1 - Photosensitizer containing benzothiazole for photovoltaic cell, and photovoltaic cell including the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 벤조씨아졸을 함유하는 신규한 염료감응 태양전지용 트리페닐아민 (triphenylamine) 염료에 관한 것으로, 본 발명에 의한 염료는 400~550nm 영역 사이의 흡수영역과 높은 광 흡수도를 가지며, 염료감응 태양전지용 광감제 (sensitizer)로 적용되어 태양전지의 광전 변환 효율을 크게 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a novel triphenylamine dye for dye-sensitized solar cells containing benzothiazol, wherein the dye according to the present invention has an absorption range and a high light absorption between 400 and 550 nm, It is applied as a sensitizer for solar cells, which can greatly improve the photoelectric conversion efficiency of solar cells.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지에 사용하는 염료와 이를 이용한 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 보다 자세하게는 400nm~550nm 영역 사이에서 높은 몰 흡광계수를 갖는 벤조씨아졸을 함유하는 신규한 트리페닐아민 염료를 제조하고 이를 태양 전지용 광 흡수층에 적용하여 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 염료에 관한 것이다.The present invention relates to a dye used in a dye-sensitized solar cell and a dye-sensitized solar cell using the same, and more particularly, to a novel triphenylamine dye containing benzothiazol having a high molar extinction coefficient between 400 nm and 550 nm. The present invention relates to a dye capable of improving the photoelectric conversion efficiency by manufacturing and applying the same to a light absorbing layer for solar cells.
최근 들어 지구 온난화의 주범으로 지목되는 이산화탄소의 배출량을 감소시키고 직면하는 에너지 문제를 해결하기 위하여 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. 풍력, 원자력, 태양광 등의 자연 에너지를 활용하기 위한 광범위한 연구가 멀지 않은 장래에 고갈될 석유 자원을 대체하기 위한 연구로 진행되어 오고 있으며, 이 중 태양에너지를 이용한 태양 전지는 가장 환경친화적이며, 다른 에너지원과는 달리 우리가 적절한 활용방법만 개발하면 자원이 무한하다. 또한, 정보통신 기기의 에너지원으로서 자가발전이 가능하므로 대체 신재생 에너지로 주목받고 있다. 셀레니움(Se)을 이용한 태양전지가 1983년 개발된 이후로 최근에는 실리콘 태양 전지가 각광을 받고 있으나, 제작 비용 측면에서 상당히 고가이기 때문에 실용화에는 한계가 있고, 전지의 효율이 아직은 상당히 부족하다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 비용이 저렴한 염료감응 태양전지의 개발이 여러 그룹에서 진행되어 오고 있다.In recent years, various studies have been conducted to replace existing fossil fuels in order to reduce the emission of carbon dioxide which is the main cause of global warming and to solve the energy problem. Extensive research to harness natural energy such as wind, nuclear power, and solar power has been conducted to replace petroleum resources that will be exhausted in the near future. Among these, solar cells using solar energy are the most environmentally friendly, Unlike other energy sources, resources can be infinite if we only develop appropriate methods of use. In addition, it is attracting attention as an alternative renewable energy because self-generation is possible as an energy source of information and communication devices. Since solar cells using selenium (Se) were developed in 1983, silicon solar cells have been in the spotlight in recent years, but they are limited in practical use because they are quite expensive in terms of manufacturing cost, and the efficiency of the batteries is still quite insufficient. To overcome this problem, the development of low-cost dye-sensitized solar cells has been progressed by various groups.
염료감응 태양전지는 가시광선의 빛 에너지를 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성하는 메커니즘이며, 감광성 염료 분자 및 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광 전기화학적 태양 전지이다. 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel)의 연구팀이 1991년 개발한 나노입자 산화티타늄을 이용한 염료감응 태양전지가 종래의 염료감응 태양전지 중에서 대표적인 연구사례이다.Dye-sensitized solar cells absorb the visible energy of light and produce electron-hole pairs.The photoelectrochemical system consists mainly of photosensitive dye molecules and transition metal oxides that transfer the generated electrons. It is a solar cell. A dye-sensitized solar cell using nanoparticle titanium oxide, developed in 1991 by Michael Gratzel of the Swiss National Institute of Advanced Technology (EPFL), is a representative example of conventional dye-sensitized solar cells.
이들이 개발한 염료감응 태양전지는 투명한 전극으로 인해 건물 외벽 유리창이나 유리 온실 등에 응용이 가능하다는 이점이 있고, 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조 단가가 저렴하지만, 광전 변환 효율이 낮아서 실제 적용에는 한계가 있다.The dye-sensitized solar cell developed by them has the advantage that it can be applied to building exterior wall glass windows or glass greenhouses due to the transparent electrode, and it is cheaper to manufacture than the conventional silicon solar cell, but the photoelectric conversion efficiency is low, so the practical application is limited. have.
광전 변환 효율은 태양빛의 흡수에 의해 생성된 전자의 양에 비례한다. 태양전지의 효율을 증가시키기 위해서는 적절한 방법으로 태양빛의 흡수를 증가시키거나 흡착된 염료의 양을 높여 전자를 더 많이 생성하게 하거나, 생성된 여기전자가 전자-홀 재결합에 의해 소멸되는 것을 막아줄 수도 있다. 태양빛의 흡수를 높이기 위해 백금전극의 반사율을 높이거나, 산화물 반도체의 입자를 나노미터 수준의 크기로 제조하여 단위면적당 염료의 흡착량을 높일 수 있으며, 수 마이크로 크기의 반도체 산화물 광산란자를 섞어서 제조하는 방법 등이 개발되어 있다. 그러나 이러한 종래 방법으로는 태양전지의 광전 변환 효율 향상에 한계가 있으며, 따라서 효율 향상을 위한 새로운 기술 개발, 특히 광전 변환 효율이 높은 새로운 염료의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.Photoelectric conversion efficiency is proportional to the amount of electrons generated by the absorption of sunlight. In order to increase the efficiency of solar cells, it is possible to increase the absorption of sunlight or increase the amount of dye adsorbed in order to generate more electrons or to prevent the generated exciton from being dissipated by electron-hole recombination. It may be. In order to increase the absorption of sunlight, it is possible to increase the reflectance of the platinum electrode or to manufacture the particles of the oxide semiconductor to nanometer size to increase the adsorption amount of the dye per unit area. Methods have been developed. However, such a conventional method has a limitation in improving the photoelectric conversion efficiency of the solar cell, and thus, there is an urgent need for the development of a new technology for improving the efficiency, in particular, the development of a new dye having high photoelectric conversion efficiency.
본 발명은 높은 광 흡수도를 나타내는 염료감응 태양전지용 염료를 제공하여, 상기 염료를 포함하는 광전 변환 효율이 개선된 염료감응 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a dye for a dye-sensitized solar cell exhibiting a high light absorption, to provide a dye-sensitized solar cell with improved photoelectric conversion efficiency comprising the dye.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 하기 화학식 1의 구조를 갖는 화합물을 포함하는 염료감응 태양전지용 염료를 제공한다.In order to solve the above problems, according to a preferred embodiment of the present invention, there is provided a dye for a solar cell dye comprising a compound having a structure of formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
상기 식에서, D1 및 D2는 치환 또는 치환되지 않은 방향족의 탄화수소기, 치환 또는 치환되지 않은 방향족 헤테로 고리기 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기이며, C 및 B는 치환 또는 치환되지 않은 방향족의 탄화수소기, 치환 또는 치환되지 않은 헤테로 고리기, 비닐기, 치환 또는 치환되지 않은 폴리비닐기이며, A는 산성작용기이다.Wherein D 1 and D 2 are substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon groups, substituted or unsubstituted aromatic heterocyclic groups, and combinations thereof, and C and B are substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon groups , A substituted or unsubstituted hetero ring group, a vinyl group, a substituted or unsubstituted polyvinyl group, and A is an acidic functional group.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 D1 및 D2는 각각 알킬, 알콕시, 아릴기, 아릴렌기, 또는 알킬렌기로 이루어진 군에서 선택되는 치환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 염료를 제공한다.According to another suitable embodiment of the present invention, the D 1 and D 2 are each a dye for a solar cell dye, characterized in that it comprises a substituent selected from the group consisting of alkyl, alkoxy, aryl group, arylene group, or alkylene group To provide.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 B 및 C는 각각 독립적으로 비닐기, 폴리비닐기, 벤젠, 나프탈렌, 안트라센, 플루오렌, 비페닐, 퓨란, 피롤, 티오펜, 카바졸 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 염료를 제공한다.According to another suitable embodiment of the present invention, each of B and C is independently a vinyl group, a polyvinyl group, benzene, naphthalene, anthracene, fluorene, biphenyl, furan, pyrrole, thiophene, carbazole and their It provides a dye for a dye-sensitized solar cell, characterized in that selected from the group consisting of a combination.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 B 및 C는 각각 독립적으로 알킬, 알콕시, 아릴기, 아릴렌기, 알킬렌기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 염료를 제공한다.According to another suitable embodiment of the present invention, the B and C are each independently a dye characterized in that it comprises a substituent selected from the group consisting of alkyl, alkoxy, aryl group, arylene group, alkylene group and combinations thereof It provides a dye for sensitized solar cells.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 A는 카르복시기, 아인산기, 술폰산기, 포스핀산기, 히드록시기, 옥시카르복시산, 산아미드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 염료를 제공한다.According to another suitable embodiment of the present invention, A is selected from the group consisting of a carboxyl group, phosphorous acid group, sulfonic acid group, phosphinic acid group, hydroxy group, oxycarboxylic acid, acidamide and combinations thereof A battery dye is provided.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 염료는 하기 화학식 2 내지 4의 구조를 갖는 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 염료를 제공한다.According to another suitable embodiment of the present invention, the dye provides a dye for a solar cell dye, characterized in that one selected from the group consisting of a compound having a structure of the formula 2 to 4 and combinations thereof.
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3](3)
[화학식 4][Formula 4]
또한 본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 염료를 사용하는 염료감응 태양전지 소자를 제공한다.In addition, according to another suitable embodiment of the present invention, there is provided a dye-sensitized solar cell element using the dye.
본 발명의 염료감응 태양전지용 염료는 400~550nm 영역 사이에서 높은 몰 흡광계수를 가지며, 태양전지용 광 흡수층에 적용되어 광전 변환 효율을 증가 시킬 수 있다.Dye-sensitized solar cell dye of the present invention has a high molar extinction coefficient between 400 ~ 550nm region, can be applied to the light absorption layer for solar cells to increase the photoelectric conversion efficiency.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 실시예 3의 염료에 따른 자외선-가시광선 흡수파장이다.
도 3은 실시예 6에 의해 제작한 염료감응 태양전지의 IPCE 곡선이다.1 is a schematic view showing a dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention.
2 is an ultraviolet-visible light absorption wavelength according to the dye of Example 3. FIG.
3 is an IPCE curve of the dye-sensitized solar cell prepared in Example 6. FIG.
이하에서 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
염료감응 태양전지에서 태양전지가 구동되는 첫 단계는 태양 광 에너지로부터 광 전하를 생성하는 과정이다. 통상적으로 광 전하 생성을 위하여 염료 물질을 사용하는데, 상기 염료 물질은 전도성 투명기판을 투과한 빛을 흡수하여 여기된다.The first step in driving a solar cell in a dye-sensitized solar cell is the process of generating a photo charge from solar energy. Typically, a dye material is used for generating a photo charge, and the dye material is excited by absorbing light transmitted through the conductive transparent substrate.
상기 염료 물질로서 금속 착화합물이 널리 사용되고 있는데, 상기 금속 착화합물 중에서도 루테늄의 모노, 비스 또는 트리스(치환 2,2´-비피리딘)착염 등이 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 이들은 금속 착화합물의 바닥상태에서 빛에 의해 여기된 전자가 다시 바닥상태로 떨어지는 속도가 비교적 빨라 효율이 낮다는 문제가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 공유결합을 통해 금속 착화합물에 다양한 전자 전달 물질을 도입하는 사례가 많이 보고 되었다. 하지만 공유결합을 통한 전자 전달 물질 도입은 그 과정이 매우 복잡하고 어려워 다양한 전자 전달 물질을 도입하기가 어렵다는 문제가 있다.Metal dye compounds are widely used as the dye material, and mono, bis, or tris (substituted 2,2′-bipyridine) complex salts of ruthenium are generally used among the metal complex compounds. However, they have a problem in that the efficiency of the electrons excited by light in the ground state of the metal complex falls back to the ground state is relatively high, which is low. In order to solve this problem, there have been many reports of introducing various electron transfer materials to metal complexes through covalent bonds. However, the introduction of electron transfer materials through covalent bonds has a problem that the process is very complicated and difficult to introduce various electron transfer materials.
상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 종래 트리페닐아민 염료 구조의 브릿지 그룹에 벤조씨아졸 구조를 포함하면서 전자주개 그룹과 브릿지 그룹을 다양하게 도입한 화합물의 염료를 제조하여 사용함으로써, 염료감응 태양전지의 광전 변환 효율을 개선하였다.In order to solve the above problems, the present invention provides a dye-sensitized embodiment by preparing and using a dye of a compound including a benzothiazol structure in a bridge group of a conventional triphenylamine dye structure and introducing a variety of electron donor groups and bridge groups. The photoelectric conversion efficiency of the battery was improved.
보다 상세하게는, 본 발명의 염료감응 태양전지용 염료는 하기 화학식 1의 화합물을 포함한다.More specifically, the dye-sensitized solar cell dye of the present invention comprises a compound of formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서, D1 및 D2는 치환 또는 치환되지 않은 방향족 탄화수소기, 치환 또는 치환되지 않은 방향족 헤테로 고리기 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기이며, C 및 B는 치환 또는 치환되지 않은 방향족 탄화수소기, 치환 또는 치환되지 않은 헤테로 고리기, 비닐기, 치환 또는 치환되지 않은 폴리비닐기이며, A는 산성작용기이다.In Formula 1, D 1 and D 2 is a substituent consisting of a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group, a substituted or unsubstituted aromatic heterocyclic group and a combination thereof, C and B is a substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group , A substituted or unsubstituted hetero ring group, a vinyl group, a substituted or unsubstituted polyvinyl group, and A is an acidic functional group.
상기 방향족 탄화수소기의 구체적인 예로는, 벤젠, 나프탈렌, 안트라센, 플루오렌, 페닐, 비페닐기, 크실렌, 페난트릴, 페릴렌, 및 이들의 조합으로 이루어진 것을 포함할 수 있다. Specific examples of the aromatic hydrocarbon group may include benzene, naphthalene, anthracene, fluorene, phenyl, biphenyl group, xylene, phenanthryl, perylene, and combinations thereof.
또한 상기 방향족 헤테로 고리기로는 피란, 피롤, 티오펜, 카바졸, 페노씨아진, 페노옥사진 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.In addition, the aromatic hetero ring group is preferably selected from the group consisting of pyran, pyrrole, thiophene, carbazole, phenothiazine, phenooxazine, and combinations thereof.
또한 상기 D1 및 D2는 치환기를 포함할 수 있는데, 상기 치환기는 알킬, 알콕시, 아릴기, 아릴렌기, 알킬렌기, 아미노기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다. In addition, D 1 and D 2 may include a substituent, and the substituent is preferably selected from the group consisting of alkyl, alkoxy, aryl group, arylene group, alkylene group, amino group and combinations thereof.
상기 치환기에 있어서, 알킬기는 탄소수 1 내지 10의 치환 또는 비치환된 알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다. 상기 알콕시기는 탄소수 1 내지 10의 알킬기를 갖는 산소 함유 치환 또는 비치환된 알콕시기로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다. 상기 아릴기는 단독 또는 조합하여 사용될 수 있으며, 페닐, 나프틸, 테트라히드로나프틸, 인단 또는 비페닐(biphenyl)과 같이 하나 이상의 고리를 포함하는 탄소수 6 내지 20의 방향족계 화합물인 것이 바람직하다. 상기 알킬렌기는 알킬기의 양 말단이 결합가능한 라디칼의 형태를 가지며, 여기서 알킬기는 상기 정의한 바와 같다.
In the substituent, the alkyl group is preferably selected from the group consisting of substituted or unsubstituted alkyl groups having 1 to 10 carbon atoms. The alkoxy group is preferably selected from the group consisting of an oxygen-containing substituted or unsubstituted alkoxy group having an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms. The aryl group may be used alone or in combination, and is preferably an aromatic compound having 6 to 20 carbon atoms containing at least one ring, such as phenyl, naphthyl, tetrahydronaphthyl, indan or biphenyl. The alkylene group has the form of a radical to which both ends of the alkyl group can be bonded, wherein the alkyl group is as defined above.
상기 화학식 1에 있어서, B 및 C는 각각 독립적으로 비닐기, 폴리비닐기, 벤젠, 나프탈렌, 안트라센, 플루오렌, 비페닐, 퓨란, 피롤, 티오펜, 카바졸 및 이들의 조합으로 이루어진 것에서 선택되는 것이 바람직하다.In Formula 1, B and C are each independently selected from a vinyl group, polyvinyl group, benzene, naphthalene, anthracene, fluorene, biphenyl, furan, pyrrole, thiophene, carbazole and combinations thereof It is preferable.
또한, 상기 B 및 C는 알킬, 알콕시, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기, 아미노기 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기를 포함할 수도 있다. 상기 치환기는 앞서 D1 및 D2에서 설명한 바와 동일하다.In addition, the B and C may include a substituent consisting of alkyl, alkoxy, aryl group, alkenyl group, arylene group, alkylene group, amino group and combinations thereof. The substituents are the same as described above for D 1 and D 2 .
상기 화학식 1에 있어서, A는 산성작용기인 것이 바람직하여, 카르복시기, 아인산기, 술폰산기, 포스핀산기, 히드록시기, 옥시카르복시산, 산아미드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 카르복시기이다.In Formula 1, A is preferably an acid functional group, and is preferably selected from the group consisting of carboxyl groups, phosphorous acid groups, sulfonic acid groups, phosphinic acid groups, hydroxy groups, oxycarboxylic acids, acid amides, and combinations thereof. Preferably carboxyl.
본 발명에서 염료감응 태양전지용 염료는 하기 화학식 2 내지 4의 구조를 갖는 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것이 보다 바람직하다.In the present invention, the dye-sensitized solar cell dye is more preferably at least one selected from the group consisting of a compound having a structure of the following formulas (2) to (4) and combinations thereof.
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3](3)
[화학식 4][Formula 4]
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료 감응 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하여 보다 상세하게 설명하면, 염료 감응 태양전지(10)는 두 개의 판상 전극(작업전극(11) 및 상대전극(14))이 서로 면 접합된 샌드위치 구조이다. 상기 투명 전극 중 작업전극(11)은 상대적극(14)과 마주보는 일면에 광흡수층(12)이 형성되어 있어서, 상기 광흡수층(12)에는 반도체 미립자와, 반도체 미립자에 흡착되어 가시광 흡수로 전자가 여기되는 광 감응 염료가 포함되어 있다. 또한 두 전극 사이의 공간에는 산화 환원용 전해질(13)로 채워져 있다.Referring to FIG. 1, the dye-sensitized
따라서 염료감응 태양전지(10) 내로 태양광이 입사되면 광양자는 먼저 광흡수층(12) 내 염료분자에 흡수되고, 이에 따라 염료분자는 기저상태에서 여기상태로 전자 전이하여 전자-홀쌍을 만들고, 여기 상태의 전자는 금속 산화물 입자 계면의 전도띠(conduction band)로 주입되며, 주입된 전자는 계면을 통해 작업전극(11)으로 전달되고, 외부 회로를 통해 대향전극인 상태전극(14)으로 이동한다. 한편 전자 전이 결과로 산화된 염료는 전해질(13) 내 산화-환원 커플의 이온에 의해 환원되고, 산화된 상기 이온은 전하중성(charge neutrality)을 이루기 위해 제2전극(14)의 계면에 도달한 전자와 환원 반응을 함으로써 상기 연료감응 태양전지(10)가 작동하게 된다.Therefore, when sunlight enters into the dye-sensitized
상기 작업전극(11)은 투명기판 및 투명기판상에 형성되는 도전층을 포함한다.The working
상기 투명 기판으로는 외부광의 입사가 가능하도록 투명성을 갖는 물질이라면 특별히 한정되지 않는다. 따라서 상기 투명 기판은 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 상기 플라스틱으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephtalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene napthalate, PEN), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리이미드(polyimide, PI), 트리아세틸 셀룰로오스(triacetyl cellulose, TAC) 또는 이들의 공중합체 등으로 사용할 수 있다. The transparent substrate is not particularly limited as long as it is a material having transparency to allow incidence of external light. Therefore, the transparent substrate may be made of glass or plastic. Examples of the plastic include polyethylene terephtalate (PET), polyethylene napthalate (PEN), polycarbonate (PC), polypropylene (PP), polyimide (PI), and triacetyl. It may be used as cellulose (triacetyl cellulose, TAC) or a copolymer thereof.
상기 투명기판은 Ti, In, Ga 및 Al로 이루어진 군에서 선택된 물질로 도핑될 수 있다. The transparent substrate may be doped with a material selected from the group consisting of Ti, In, Ga, and Al.
상기 투명 기판 위에는 도전층이 위치한다. 상기 도전층은 플로린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide, FTO), 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, ITO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 주석계 산화물, 안티몬 틴 옥사이드(antimony tin oxide, ATO), 산화아연(zinc oxide) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 전도성 금속 화합물을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 플로린 틴 옥사이드를 사용할 수 있다 .A conductive layer is positioned on the transparent substrate. The conductive layer is fluorine tin oxide (FTO), indium tin oxide (ITO), ZnO- (Ga 2 O 3 or Al 2 O 3 ), tin oxide, antimony tin oxide (antimony tin oxide) oxide, ATO), zinc oxide (zinc oxide) and a conductive metal compound selected from the group consisting of a mixture thereof may be used, more preferably florin tin oxide may be used.
상기 반도체 미립자는 실리콘으로 대표되는 반도체 외에, 화합물 반도체 또는 페로브스카이트 구조를 갖는 화합물 사용할 수 있다.The semiconductor fine particles may be a compound having a compound semiconductor or a perovskite structure in addition to a semiconductor represented by silicon.
상기 반도체로는 광 여기 하에서 전도대 전자가 캐리어로 되어 애노드 전류를 제공하는 n형 반도체인 것이 바람직하고, 상기 화합물 반도체로는 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, In 및 TiSr로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 산화물을 사용할 수 있다. 바람직하게는 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 TiO2을 사용할 수 있다. 상기 반도체의 종류는 이들에 한정되는 것은 아니다.The semiconductor is preferably an n-type semiconductor in which conduction band electrons become carriers under photo excitation to provide an anode current, and the compound semiconductor is Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W Oxides of metals selected from the group consisting of Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, In and TiSr can be used. Preferably, TiO 2 , SnO 2 , ZnO, WO 3 , Nb 2 O 5 , TiSrO 3 or a mixture thereof may be used, and more preferably TiO 2 may be used. The kind of the semiconductor is not limited to these.
또한 상기 반도체 미립자는 표면에 흡착된 염료가 보다 많은 빛을 흡수하도록 하기 위하여 표면적을 크게 하는 것이 바람직하다. 따라서 반도체 미립자는 50nm 이하의 평균 입자 직경을 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 15 내지 20nm의 평균 입자 직경을 가질 수 있다. 입자 직경이 50nm를 초과하는 경우, 표면적이 작아져서 촉매 효율이 저하될 우려가 있다. In addition, the semiconductor fine particles preferably have a large surface area in order for the dye adsorbed on the surface to absorb more light. Therefore, the semiconductor fine particles preferably have an average particle diameter of 50 nm or less, and more preferably, may have an average particle diameter of 15 to 20 nm. When the particle diameter exceeds 50 nm, the surface area becomes small, which may lower the catalyst efficiency.
상기 반도체 미립자 표면에 외부광을 흡수하여 여기 전자를 생성하는 염료가 흡착된다. 상기 염료는 앞에서 설명한 바와 동일하다. A dye for absorbing external light and generating excitation electrons is adsorbed on the surface of the semiconductor fine particles. The dye is the same as described above.
상기 광흡수층(12)이 형성된 작업전극(11)에 대향하여 상대전극(14)이 위치한다. 상기 상대전극(14)은 투명 기판과, 상기 작업전극(11)과 대향 배치되도록 상기 투명 기판 위에 형성되는 투명 전극 및 촉매전극(미도시)을 포함한다.The
상기 투명 기판은 작업전극에서와 동일하게 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 상기 플라스틱으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephtalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene napthalate, PEN), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리이미드(polyimide, PI), 트리아세틸 셀룰로오스(triacetyl cellulose, TAC) 또는 이들의 공중합체 등을 사용할 수 있다. The transparent substrate may be made of glass or plastic as in the working electrode. Examples of the plastic include polyethylene terephtalate (PET), polyethylene napthalate (PEN), polycarbonate (PC), polypropylene (PP), polyimide (PI), and triacetyl. Cellulose (triacetyl cellulose, TAC) or copolymers thereof may be used.
상기 투명 기판 위에는 투명전극이 형성되며, 상기 투명전극은 플로린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide, FTO), 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, ITO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 주석계 산화물, 안티몬 틴 옥사이드(antimony tin oxide, ATO), 산화아연(zinc oxide) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 전도성 금속 화합물을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 플로린 틴 옥사이드를 사용할 수 있다.A transparent electrode is formed on the transparent substrate, and the transparent electrode is made of fluorine tin oxide (FTO), indium tin oxide (ITO), ZnO- (Ga 2 O 3 or Al 2 O 3 ), A conductive metal compound selected from the group consisting of tin oxide, antimony tin oxide (ATO), zinc oxide, and mixtures thereof may be used, and more preferably florine tin oxide may be used. .
또한 상기 투명 전극 위에는 촉매 전극이 형성된다. 상기 촉매 전극은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 하는 것으로, 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), WO3, TiO2 및 전도성 고분자 등의 전도성 물질을 포함한다.In addition, a catalyst electrode is formed on the transparent electrode. The catalyst electrode serves to activate a redox couple, platinum (Pt), gold (Au), ruthenium (Ru), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), Conductive materials such as osmium (Os), WO 3 , TiO 2 and conductive polymers.
또한 산화 환원의 촉매 효과를 향상시킬 목적으로 작업전극과 마주보고 있는 촉매 전극 측은 미세구조를 가져 표면적을 증가시킬 수 있는 것이 바람직하다. 예를 들면 Pt 또는 Au의 경우 블랙 상태로, 카본의 경우 다공질 상태일 수 있다. In addition, the catalytic electrode side facing the working electrode for the purpose of improving the catalytic effect of redox is preferable to have a microstructure to increase the surface area. For example, Pt or Au may be in a black state, and carbon may be in a porous state.
상기 상대 전극(14)은 전해질을 주입하기 위하여 상대 전극을 관통하는 구멍(미도시)을 포함하고 있다. The
상기 전해질 층은 전해액으로 이루어지는데, 상기 전해액은 산화, 환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료를 전달하는 역할을 수행하며, 이때 개방회로의 전압은 염료의 에너지 준위와 전해질의 산화, 환원 준위의 차이에 의해 결정된다.The electrolyte layer is composed of an electrolyte solution, and the electrolyte solution serves to transfer dye by receiving electrons from a counter electrode by oxidation and reduction, wherein the voltage of the open circuit is determined by the energy level of the dye and oxidation and reduction levels of the electrolyte. It is determined by the difference.
상기 전해액으로는 예를 들어 요오드를 아세토나이트릴에 용해시킨 용액을 사용할 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
As the electrolyte solution, for example, a solution in which iodine is dissolved in acetonitrile can be used, but is not necessarily limited thereto.
이하에서 실시예를 들어서 본 발명을 상세하게 설명하지만, 아래 실시예에 의해서 본 발명의 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited or limited by the following Examples.
실시예Example 1-화학식 2의 구조를 가지는 염료의 제조 Preparation of Dye Having Structure of 1-Formula 2
하기와 같은 반응식 1에 나타난 단계를 따라 실시하여 화학식 2 구조를 가지는 염료 화합물 1을 제조하였다.The dye compound 1 having the structure of Chemical Formula 2 was prepared by following the steps shown in Scheme 1.
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
[화학식 2][Formula 2]
(1) 2-브로모-6-메틸벤조씨아졸(2-Bromo-6-methylbenzothiazole, 중간체 화합물 (1))의 합성 (1) Synthesis of 2-Bromo-6-methylbenzothiazole (Intermediate Compound (1))
얼음욕(Ice bath) 하에서, 250ml 둥근 바닥 플라스크에 아세토나이트릴(acetonitrile) 100ml를 넣고 2-아미노-6-메틸벤조씨아졸(2-amino-6-methylbenzothiazole) 3.285g (20mmol), CuBr2 6.71g (30mmol)를 녹이면서 교반한다. 위 혼합물에 tert-부틸니트릴(tert-butylnitrile, 90%) 3.1g (30mmol)을 5분에 걸쳐 천천히 첨가한다. 혼합물을 실온에서 1시간 동안 교반한 후 서서히 온도를 승온시켜 65℃에서 1시간 동안 교반한다. 반응이 종결되면 실온으로 식히고 혼합물을 에틸 아세테이트(ethyl acetate)에 녹인 후, 6M HCl 수용액, 농축된 NaHCO3 수용액, 포화소금물과 물로 각각 추출한다. 추출 후 유기 용액은 MgSO4에 통과시켜 수분을 제거하며 여액은 회전식 감압증류장치를 이용하여 제거한다. 50℃ 오븐에 하루 동안 건조시킨 후 실리카겔 크로마토그래피(전개용매, 클로로포름 : 헥산 = 2:1)로 정제하여 4.19g을 얻었다. (수율 : 92%)
In an ice bath, 100 ml of acetonitrile was added to a 250 ml round bottom flask and 3.285 g (20 mmol) of 2-amino-6-methylbenzothiazole, CuBr 2 6.71 Stir while dissolving g (30 mmol). To the mixture is slowly added 3.1 g (30 mmol) of tert-butylnitrile (90%) over 5 minutes. The mixture is stirred at room temperature for 1 hour and then slowly warmed up to 65 ° C for 1 hour. At the end of the reaction, the reaction mixture was cooled to room temperature and the mixture was dissolved in ethyl acetate. Then, 6M aqueous HCl solution and concentrated NaHCO 3 were added. Extract with aqueous solution, saturated salt and water. After extraction, the organic solution is passed through MgSO 4 to remove moisture, and the filtrate is removed using a rotary vacuum distillation apparatus. After drying for one day in an oven at 50 ℃, it was purified by silica gel chromatography (developing solvent, chloroform: hexane = 2: 1) to obtain 4.19g. (Yield 92%)
(2) 2-브로모-6-(브로모메틸)벤조티아졸) 2-Bromo-6-(bromomethyl) benzothiazole, 중간체 화합물 (2))의 합성(2) 2-Bromo-6- (bromomethyl) benzothiazole) Synthesis of 2-Bromo-6- (bromomethyl) benzothiazole, intermediate compound (2))
질소 분위기 하에서, 100ml 둥근 바닥 플라스크에 중간체 화합물 (1) 3.18g (13.94mmol), N-브로모석신이미드(N-Bromosuccinimide, NBS) 2.73g (15.34mmol)과 벤조일 페록사이드(Benzoyl peroxide, BPO) 0.118g (0.488mmol)를 60ml의 CCl4에 녹인 후 4시간 동안 환류시킨다. 반응물은 실온으로 식힌 후 감압필터하고 여액은 회전식 감압증류장치를 이용하여 제거한 후 50℃ 오븐에 하루 동안 건조시켰다. 건조가 완료되면 실리카겔 크로마토그래피(전개액, 에틸 아세테이트:헥산 = 1:6)로 정제하여 2.69g을 얻었다. (수율 : 63%)
Under nitrogen atmosphere, 3.18 g (13.94 mmol) of intermediate compound (1), 2.73 g (15.34 mmol) of N-Bromosuccinimide (NBS) and Benzoyl peroxide (BPO) in a 100 ml round bottom flask ) 0.118 g (0.488 mmol) is dissolved in 60 ml of CCl 4 and refluxed for 4 hours. The reaction was cooled to room temperature, filtered under reduced pressure, and the filtrate was removed using a rotary vacuum distillation apparatus and dried in a 50 ° C. oven for one day. When the drying was completed, the residue was purified by silica gel chromatography (eluent, ethyl acetate: hexane = 1: 6) to obtain 2.69 g. (Yield 63%)
(3) 2-브로모-6-(디에틸포스포메틸)벤조티아졸(2-Bromo-6-(diethylphosphonomethyl)benzothiazole, 중간체 화합물 (3))의 합성(3) Synthesis of 2-bromo-6- (diethylphosphomethyl) benzothiazole (2-Bromo-6- (diethylphosphonomethyl) benzothiazole, intermediate compound (3))
아르곤 분위기 하에서, 100ml 둥근 바닥 플라스크에 중간체 화합물 (2) 4.5g (14.66mmol)과 트리에틸포스파이트(triethylphosphite) 3.66g (22mmol)을 7시간 동안 160℃에서 환류한다. 과량의 트리에틸포스파이트는 감압하에서 제거하고, 정제 없이 다음 단계에 사용한다.
Under argon atmosphere, 4.5 g (14.66 mmol) of the intermediate compound (2) and 3.66 g (22 mmol) of triethylphosphite were refluxed at 160 ° C. for 7 hours in a 100 ml round bottom flask. Excess triethylphosphite is removed under reduced pressure and used in the next step without purification.
(4) (E)-4-(2-(2-브로모벤조티아졸-6-일)비닐)-N,N-디페닐벤젠아민((E)-4-(2-(2-bromobenzothiazol-6-yl)vinyl)-N,N-diphenylbenzenamine, 중간체 화합물 (4))의 합성(4) (E) -4- (2- (2-bromobenzothiazol-6-yl) vinyl) -N, N-diphenylbenzeneamine ((E) -4- (2- (2-bromobenzothiazol Synthesis of -6-yl) vinyl) -N, N-diphenylbenzenamine, Intermediate Compound (4))
아르곤 분위기 하에서, 250ml 둥근 바닥 플라스크에 중간체 화합물 (3) 2.93g (8.05mmol)과 포타슘-t-부톡시드(potassium tert-butoxide) 1.43g (12.08mmol)을 50ml의 무수 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF)에 녹인다. 4-(N,N-디페닐아미노)-벤즈알데하이드(4-(N,N-diphenylamino)-benzaldehyde) 2.2g (8.05mmol)을 20ml의 무수 테트라하이드로퓨란에 녹인 후 위 용액에 5분에 걸쳐 천천히 첨가한다. 혼합물은 실온에서 8시간 동안 교반한 후 차가운 증류수를 50ml 붓는다. 이 용액에 6M HCl 수용액 10ml를 첨가하고 석출된 침전물은 감압필터 한 후 50℃ 오븐에 하루 동안 건조시켰다. 건조된 물질은 실리카겔 크로마토그래피(전개액, 메틸렌 클로라이드)로 정제하여 옅은 노란색 분말을 얻었다.
In an argon atmosphere, 2.93 g (8.05 mmol) of intermediate compound (3) and 1.43 g (12.08 mmol) of potassium tert-butoxide were added to a 250 ml round bottom flask with 50 ml of anhydrous tetrahydrofuran (THF). To dissolve). 2.2 g (8.05 mmol) of 4- (N, N-diphenylamino) -benzaldehyde was dissolved in 20 ml of anhydrous tetrahydrofuran and then in the gastric solution for 5 minutes. Add slowly The mixture is stirred at room temperature for 8 hours and then poured 50 ml of cold distilled water. 10 ml of 6M HCl aqueous solution was added to the solution, and the precipitate precipitate was filtered under reduced pressure and dried in a 50 ° C. oven for one day. The dried material was purified by silica gel chromatography (eluent, methylene chloride) to give a pale yellow powder.
(5) (E)-4-(6-(4-(디페닐아미노)스티릴)벤조티아졸-2-일)벤즈알데하이드 ((E)-4-(6-(4-(diphenylamino)styryl)benzothiazol-2-yl)benzaldehyde, 중간체 화합물 (5))의 합성(5) (E) -4- (6- (4- (diphenylamino) styryl) benzothiazol-2-yl) benzaldehyde ((E) -4- (6- (4- (diphenylamino) styryl Synthesis of) benzothiazol-2-yl) benzaldehyde, Intermediate Compound (5))
아르곤 분위기 하에서, 100ml 둥근 바닥 플라스크에 중간체 화합물 (4) 0.629g (1.3mmol)을 무수 톨루엔 50ml와 무수 에탄올 10ml의 혼합 용매에 녹인다. 위 혼합액에 4-포밀페닐보론산(4-formylphenylboronic acid) 0.234g (1.56mmol), Pd(PPh3)4 0.075g (0.065mmol)과 2M K2CO3 수용액 9ml를 각각 첨가한 후 115℃에서 24시간 동안 환류한다. 반응이 끝나면 실온으로 식힌 후 메틸렌 클로라이드와 물로 추출한다. 유기 용액 층은 MgSO4에 통과하여 수분을 제거한 후 유기용매는 회전식 감압증류장치를 이용하여 제거한다. 50℃ 오븐에 하루동안 건조시킨 후 실리카겔 크로마토그래피(전개액, 메틸렌 클로라이드)로 정제하여 0.58g의 노란색 분말을 얻었다. (수율 : 86%)
Under argon atmosphere, 0.629 g (1.3 mmol) of the intermediate compound (4) are dissolved in a mixed solvent of 50 ml of anhydrous toluene and 10 ml of anhydrous ethanol in a 100 ml round bottom flask. To the mixture was added 0.234 g (1.56 mmol) of 4-formylphenylboronic acid, 0.075 g (0.065 mmol) of Pd (PPh 3 ) 4 and 9 ml of 2M K 2 CO 3 aqueous solution, respectively, at 115 ° C. Reflux for 24 hours. After the reaction is cooled to room temperature and extracted with methylene chloride and water. The organic solution layer passes through MgSO 4 to remove moisture, and then the organic solvent is removed using a rotary vacuum distillation apparatus. After drying in an oven at 50 ° C. for one day, the product was purified by silica gel chromatography (eluent, methylene chloride) to obtain 0.58 g of a yellow powder. (Yield 86%)
(6) 화학식 2의 구조를 가지는 염료 화합물 1의 합성(6) Synthesis of Dye Compound 1 Having the Structure of Formula 2
질소 분위기 하에서, 100ml 둥근 바닥 플라스크에 중간체 화합물 (5) 0.57g (1.12mmol)을 무수 아세토나이트릴 60ml에 녹인다. 위 용액에 시아노아세트산(cyanoacetic acid) 0.286g (3.36mmol)과 피페리딘(piperidine) 0.382g (4.48mmol)을 넣은 후 5시간 동안 92℃에서 환류시킨다. 반응이 끝나면 실온으로 식힌 후 유기용매는 회전식 감압증류장치를 이용하여 제거한다. 50℃ 오븐에 하루 동안 건조시킨 후 실리카겔 크로마토그래피(전개액, 클로로포름:메탄올=3:1)로 정제한다. 정제한 생성물은 메틸렌 클로라이드 50ml에 녹인 후 0.1M HCl 수용액 50ml를 첨가하여 2시간 동안 교반한다. 교반 후 메틸렌 클로라이드로 추출하고 MgSO4에 통과시킨다. 유기용매는 회전식 증류장치를 이용하여 제거하고 50℃ 오븐에 하루 동안 건조시켜 오렌지색 분말 0.47g을 얻었다. (수율 : 73%)
Under a nitrogen atmosphere, 0.57 g (1.12 mmol) of the intermediate compound (5) is dissolved in 60 ml of anhydrous acetonitrile in a 100 ml round bottom flask. 0.286 g (3.36 mmol) of cyanoacetic acid and 0.382 g (4.48 mmol) of piperidine were added to the gas solution, and the mixture was refluxed at 92 ° C. for 5 hours. After the reaction, the mixture is cooled to room temperature, and the organic solvent is removed by using a rotary vacuum distillation apparatus. After drying in an oven at 50 ° C. for one day, the mixture was purified by silica gel chromatography (eluent, chloroform: methanol = 3: 1). The purified product was dissolved in 50 ml of methylene chloride and 50 ml of 0.1 M HCl aqueous solution was added thereto, followed by stirring for 2 hours. After stirring, the mixture is extracted with methylene chloride and passed through MgSO 4 . The organic solvent was removed using a rotary distillation apparatus and dried in a 50 ° C. oven for one day to obtain 0.47 g of orange powder. (Yield: 73%)
실시예Example 2 :화학식 3의 구조를 가지는 염료의 제조 2: Preparation of Dye Having Structure of Formula 3
하기와 같은 반응식 2에 나타난 단계를 따라 실시하여 화학식 3의 구조를 가지는 염료 화합물 2를 제조하였다. 하기 반응식에서 중간체 화합물(4)는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다. Dye compound 2 having a structure of Chemical Formula 3 was prepared by following the steps shown in Scheme 2. Intermediate compound (4) was prepared in the same manner as in Example 1 in the following scheme.
[반응식 2][Reaction Scheme 2]
[화학식 3](3)
(1) (E)-5-(6-(4-(diphenylamino)styryl)benzothiazol-2-yl)thiophene-2-carbaldehyde의 합성 (중간체 화합물 (6))(1) Synthesis of (E) -5- (6- (4- (diphenylamino) styryl) benzothiazol-2-yl) thiophene-2-carbaldehyde (Intermediate Compound (6))
아르곤 분위기 하에서, 100ml 둥근 바닥 플라스크에 중간체 화합물 (4) 0.725g (1.5mmol)을 무수 톨루엔 50ml와 무수 에탄올 10ml의 혼합 용매에 녹인다. 위 혼합액에 5-포밀-2-티오펜-보론산(5-formyl-2-thiophene boronic acid) 0.281g (1.8mmol), Pd(PPh3)4 0.087g (0.075mmol)과 2M K2CO3 수용액 10ml를 각각 첨가한 후 115℃에서 24시간 동안 환류한다. 반응이 끝나면 실온으로 식힌 후 메틸렌 클로라이드와 물로 추출한다. 유기 용액 층은 MgSO4에 통과하여 수분을 제거한 후 유기용매는 회전식 감압증류장치를 이용하여 제거한다. 50℃ 오븐에 하루 동안 건조시킨 후 실리카겔 크로마토그래피(전개액, 메틸렌 클로라이드)로 정제하여 0.388g의 노란색 분말을 얻었다. (수율 : 50%)
Under argon atmosphere, 0.725 g (1.5 mmol) of the intermediate compound (4) are dissolved in a mixed solvent of 50 ml of anhydrous toluene and 10 ml of anhydrous ethanol in a 100 ml round bottom flask. 0.281 g (1.8 mmol) of 5-formyl-2-thiophene boronic acid, 0.087 g (0.075 mmol) of Pd (PPh 3 ) 4 and 2M K 2 CO 3 10 ml of aqueous solution is added, and refluxed at 115 ° C. for 24 hours. After the reaction is cooled to room temperature and extracted with methylene chloride and water. The organic solution layer passes through MgSO 4 to remove moisture, and then the organic solvent is removed using a rotary vacuum distillation apparatus. After drying in an oven at 50 ° C. for one day, the mixture was purified by silica gel chromatography (eluent, methylene chloride) to obtain 0.388 g of a yellow powder. (Yield 50%)
(2) 화학식 3의 구조를 가지는 염료 화합물 2의 합성(2) Synthesis of Dye Compound 2 Having the Structure of Formula 3
질소 분위기 하에서, 100ml 둥근 바닥 플라스크에 중간체 화합물 (6) 0.386g (0.75mmol)을 무수 아세토나이트릴 50ml에 녹인다. 위 용액에 시아노아세트산(cyanoacetic acid) 0.192g (2.25mmol)과 피페리딘(piperidine) 0.256g (3.0mmol)을 넣은 후 5시간 동안 92℃에서 환류시킨다. 반응이 끝나면 실온으로 식힌 후 유기용매는 회전식 감압증류장치를 이용하여 제거한다. 50℃ 오븐에 하루 동안 건조시킨 후 실리카겔 크로마토그래피(전개액, 클로로포름:메탄올=3:1)로 정제한다. 정제한 생성물은 메틸렌 클로라이드 50ml에 녹인 후 0.1M HCl 수용액 50ml를 첨가하여 2시간 동안 교반한다. 교반 후 메틸렌 클로라이드로 추출하고 MgSO4에 통과시킨다. 유기용매는 회전식 증류장치를 이용하여 제거하고 50℃ 오븐에 하루 동안 건조시켜 적색 분말 0.288g을 얻었다. (수율 : 66%)
Under a nitrogen atmosphere, 0.386 g (0.75 mmol) of the intermediate compound (6) is dissolved in 50 ml of anhydrous acetonitrile in a 100 ml round bottom flask. 0.192 g (2.25 mmol) of cyanoacetic acid and 0.256 g (3.0 mmol) of piperidine were added to the gas solution and refluxed at 92 ° C. for 5 hours. After the reaction, the mixture is cooled to room temperature, and the organic solvent is removed by using a rotary vacuum distillation apparatus. After drying in an oven at 50 ° C. for one day, the mixture was purified by silica gel chromatography (eluent, chloroform: methanol = 3: 1). The purified product was dissolved in 50 ml of methylene chloride and 50 ml of 0.1 M HCl aqueous solution was added thereto, followed by stirring for 2 hours. After stirring, the mixture is extracted with methylene chloride and passed through MgSO 4 . The organic solvent was removed using a rotary distillation apparatus and dried in a 50 ° C. oven for one day to obtain 0.288 g of red powder. (Yield 66%)
실시예Example 3 :화학식 4의 구조를 가지는 염료의 제조 3: Preparation of Dye Having Structure of Formula 4
하기와 같은 반응식 3에 나타난 단계를 따라 실시하여 화학식 4의 구조를 가지는 염료 화합물 3을 제조하였다. 하기 반응식에서 중간체 화합물(4)는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다. Dye compound 3 having a structure of Chemical Formula 4 was prepared by following the steps shown in Scheme 3 below. Intermediate compound (4) was prepared in the same manner as in Example 1 in the following scheme.
[반응식 3]Scheme 3
[화학식 4][Formula 4]
(1) (E)-5-(6-(4-(디페닐아미노)스티릴)벤조[d]티아졸-2-일)퓨란-2-카르발데히드((E)-5-(6-(4-(diphenylamino)styryl)benzo[d]thiazol-2-yl)furan-2-carbaldehyde, 중간체 화합물 (7))의 합성(1) (E) -5- (6- (4- (diphenylamino) styryl) benzo [d] thiazol-2-yl) furan-2-carbaldehyde ((E) -5- (6 Synthesis of-(4- (diphenylamino) styryl) benzo [d] thiazol-2-yl) furan-2-carbaldehyde, Intermediate Compound (7))
아르곤 분위기 하에서, 100ml 둥근 바닥 플라스크에 중간체 화합물 (4) 0.725g (1.5mmol)을 무수 톨루엔 50ml와 무수 에탄올 10ml의 혼합 용매에 녹인다. 위 혼합액에 5-포밀퓨란-2-일보론산(5-formylfuran-2-ylboronic acid) 0.252g (1.8mmol), Pd(PPh3)4 0.087g (0.075mmol)과 2M K2CO3 수용액 10ml를 각각 첨가한 후 115℃에서 24시간 동안 환류한다. 반응이 끝나면 실온으로 식힌 후 메틸렌 클로라이드와 물로 추출한다. 유기 용액 층은 MgSO4에 통과하여 수분을 제거한 후 유기용매는 회전식 감압증류장치를 이용하여 제거한다. 50℃ 오븐에 하루 동안 건조시킨 후 실리카겔 크로마토그래피(전개액, 메틸렌 클로라이드)로 정제하여 0.434g의 노란색 분말을 얻었다. (수율 : 58%)
Under argon atmosphere, 0.725 g (1.5 mmol) of the intermediate compound (4) are dissolved in a mixed solvent of 50 ml of anhydrous toluene and 10 ml of anhydrous ethanol in a 100 ml round bottom flask. In the above mixture, 0.252 g (1.8 mmol) of 5-formylfuran-2-ylboronic acid, 0.087 g (0.075 mmol) of Pd (PPh 3 ) 4 and 10 ml of 2M K 2 CO 3 aqueous solution were added. After each addition, reflux at 115 ° C. for 24 hours. After the reaction is cooled to room temperature and extracted with methylene chloride and water. The organic solution layer passes through MgSO 4 to remove moisture, and then the organic solvent is removed using a rotary vacuum distillation apparatus. After drying for one day in a 50 ℃ oven purified by silica gel chromatography (eluent, methylene chloride) to give 0.434g of yellow powder. (Yield 58%)
(2) 화학식 4의 구조를 가지는 염료 화합물 3의 합성(2) Synthesis of Dye Compound 3 Having the Structure of Formula 4
질소 분위기 하에서, 100ml 둥근 바닥 플라스크에 중간체 화합물 (7) 0.42g (0.84mmol)을 무수 아세토나이트릴 50ml에 녹인다. 위 용액에 시아노아세트산(cyanoacetic acid) 0.214g (2.52mmol)과 피페리딘(piperidine) 0.286g (3.36mmol)을 넣은 후 5시간 동안 92℃에서 환류시킨다. 반응이 끝나면 실온으로 식힌 후 유기용매는 회전식 감압증류장치를 이용하여 제거한다. 50℃ 오븐에 하루 동안 건조시킨 후 실리카겔 크로마토그래피(전개액, 클로로포름:메탄올=3:1)로 정제한다. 정제한 생성물은 메틸렌 클로라이드 50ml에 녹인 후 0.1M HCl 수용액 50ml를 첨가하여 2시간 동안 교반한다. 교반 후 메틸렌 클로라이드로 추출하고 MgSO4에 통과시킨다. 유기용매는 회전식 증류장치를 이용하여 제거하고 50℃ 오븐에 하루 동안 건조시켜 적색 분말 0.337g을 얻었다. (수율 : 71%)
Under a nitrogen atmosphere, 0.42 g (0.84 mmol) of the intermediate compound (7) was dissolved in 50 ml of anhydrous acetonitrile in a 100 ml round bottom flask. 0.214 g (2.52 mmol) of cyanoacetic acid and 0.286 g (3.36 mmol) of piperidine were added to the gas solution, and the mixture was refluxed at 92 ° C. for 5 hours. After the reaction, the mixture is cooled to room temperature, and the organic solvent is removed by using a rotary vacuum distillation apparatus. After drying in an oven at 50 ° C. for one day, the mixture was purified by silica gel chromatography (eluent, chloroform: methanol = 3: 1). The purified product was dissolved in 50 ml of methylene chloride and 50 ml of 0.1 M HCl aqueous solution was added thereto, followed by stirring for 2 hours. After stirring, the mixture is extracted with methylene chloride and passed through MgSO 4 . The organic solvent was removed using a rotary distillation apparatus and dried in a 50 ° C. oven for one day to obtain 0.337 g of red powder. (Yield 71%)
실시예Example 4 : 염료감응 태양전지의 제조 4: Manufacture of Dye-Sensitized Solar Cell
(1) 작업 전극 제작(1) working electrode fabrication
FTO 기판(Fluorine-doped tin oxide coated conduction glass, Pilkington, TEC-8)을 1.5cmⅩ1.5cm 크기로 자르고, 표면의 유기물과 같은 불순물을 제거하기 위해 아세톤으로 세척하면서 손으로 문질러 주고, 끓는 아세톤에 5분간 2회 침적한다. 그 후에 에탄올을 이용하여 초음파(sonication) 세척을 10분간 2회 반복한다. 그 후에는 무수 에탄올로 완전히 헹군 후에 오븐에서 건조시킨다. 이렇게 준비한 FTO 기판 위에 TiO2와의 접촉력을 향상시키기 위하여 0.2M 티타늄 부톡시드(Titanium (Ⅳ) butoxide) 용액을 스핀코팅 방법으로 입히고, 오븐에서 용매를 완전히 건조시킨다.Cut the FTO substrate (Fluorine-doped tin oxide coated conduction glass, Pilkington, TEC-8) into 1.5cm x 1.5cm size, rub it by hand while washing with acetone to remove impurities such as organic matter on the surface. Deposit twice a minute. Thereafter, the ultrasonic washing is repeated twice for 10 minutes using ethanol. After that, it is rinsed thoroughly with anhydrous ethanol and dried in an oven. In order to improve the contact force with TiO 2 on the thus prepared FTO substrate, 0.2M titanium butoxide (Titanium (IV) butoxide) solution was coated by spin coating, and the solvent was completely dried in an oven.
그 후에 TiO2 (230(M2331)-2T)를 FTO 기판 위에 닥터 블레이드법(doctor blade technique)으로 코팅하고, 100℃ 오븐에서 10분 동안 말린 다음, 500℃로 승온하여 30분간 소결함으로써 9~10 마이크로미터 두께의 TiO2 투과층 (Transparent layer)을 얻는다. 그리고 TiO2 (CCIC-1T)를 그 위에 동일한 방법으로 코팅 및 소결하여 하여 4~5 마이크로미터 두께의 TiO2 산란층 (Scattering layer)을 얻는다.After that, TiO 2 (230 (M2331) -2T) was coated on the FTO substrate by the doctor blade technique, dried in an oven at 100 ° C. for 10 minutes, and then heated to 500 ° C. for 30 minutes to sinter for 9 to 10 minutes. A micrometer thick TiO 2 transparent layer is obtained. TiO 2 (CCIC-1T) is coated and sintered thereon in the same manner to obtain a TiO 2 scattering layer having a thickness of 4 to 5 micrometers.
이렇게 얻어진 TiO2 필름을 실시예 1 에서 합성한 염료를 사용하여 만든 0.5mM 농도의 클로로포름 용액에 40시간 동안 담궈 염료를 TiO2 표면에 흡착시킨다. (염료 용액을 만들 때 사용하는 용매는 염료을 잘 녹일 수 있는 용매를 사용). 흡착이 끝난 후에 사용한 용매로 흡착되지 않은 염료를 완전히 세척해준 후 건조시킨다. 염료가 흡착된 필름을 6.5mmⅩ6.5mm 크기만 남기고 나머지는 긁어낸다.
TiO 2 thus obtained The film was immersed in a 0.5mM chloroform solution made using the dye synthesized in Example 1 for 40 hours to adsorb the dye onto the TiO 2 surface. (The solvent used to make the dye solution is a solvent that can dissolve the dye well.) After the adsorption is completed, completely wash the dye that has not been adsorbed with the solvent. Scrape off the adsorbed film leaving only 6.5mm x 6.5mm.
(2) 상대 전극 제작(2) counter electrode fabrication
1.5cmⅩ1.5cm 크기의 FTO 기판에 다이아몬드 드릴을 이용해서 전해질을 주입할 구멍 두 개를 뚫는다. 그 후에는 위에서 제시했던 세척 방법과 동일한 방법으로 세척한 후 건조시킨다. 그 후, 0.7mM hydrogen hexachloroplatinate (H2PtCl6) 2-propanol 용액에 20분 동안 담근 후 꺼내어 400℃ 오븐에서 30분간 열처리 한다.
Using a diamond drill, drill two holes for the electrolyte injection into a 1.5 cm-1.5 cm FTO substrate. Thereafter, it is washed and dried in the same manner as the washing method described above. Then, soak for 20 minutes in 0.7mM hydrogen hexachloroplatinate (H 2 PtCl 6 ) 2-propanol solution, take out and heat-treated in an oven at 400 ℃ for 30 minutes.
(3) 샌드위치 전지(Sandwich cell) 제작(3) Sandwich cell production
작업전극과 상대전극 사이에 사각형 띠 모양으로 자른 설린(Surlyn, Dupont 1702)을 놓고 핫 프레스(hot press) 기기를 이용하여 두 전극을 서로 붙인 후에 상대전극에 2개의 작은 구멍을 통해 전해질을 주입한 후 Surlyn strip과 cover glass로 씰링하여 샌드위치 전지(sandwich cell)을 제작한다. 전해질 용액으로는 0.2M의 LiI, 0.005M의 I2, 0.5M의 1-메틸-3-프로필린이미다졸륨 아이오다이드(1-methyl-3-propylimidazolium iodide) 와 0.5M의 4-tert-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine)을 아세토나이트를(acetonitrile) 용매에 용해하여 제조하였다.
Between the working electrode and the counter electrode, Sullyn (Surlyn, Dupont 1702) was cut into rectangular bands, and the two electrodes were attached to each other using a hot press. Then, the electrolyte was injected through the two small holes. After that, a sandwich cell is produced by sealing with Surlyn strip and cover glass. The electrolyte solution was 0.2 M LiI, 0.005 M I 2 , 0.5 M 1-methyl-3-propylimidazolium iodide and 0.5 M 4-tert-butyl Pyridine (4-tert-butylpyridine) was prepared by dissolving acetonite in acetonitrile solvent.
(4) 광전류-전압(Photocurrent-voltage)과 IPCE (Incident Photon to Current Efficiency) 측정(4) Photocurrent-voltage and Incident Photon to Current Efficiency
상기에서 제조된 태양전지에 AM 1.5의 태양광 시뮬레이팅 필터(solar simulating filter)를 장착한 Xe 램프(300W Xe arc lamp)로 빛을 조사하면 Keithly model 2400 source measuring unit 을 사용하여 전류-전압 곡선을 얻었다. 또한, 75W Xe 램프의 단색광(monochromic beam)을 이용해 300~800nm 파장 영역에서 10Hz 속도로 IPCE를 측정하였으며, 보정(calibration)은 실리콘 광다이오드(silicon photodiode, NIST-calibrated photodiode G425)를 사용하였다. When irradiated with a Xe lamp (300W Xe arc lamp) equipped with a solar simulating filter of AM 1.5 to the solar cell manufactured above, the current-voltage curve was generated using a Keithly model 2400 source measuring unit. Got it. In addition, IPCE was measured at a rate of 10 Hz in a 300-800 nm wavelength region using a monochromic beam of a 75 W Xe lamp, and a calibration was performed using a silicon photodiode (NIST-calibrated photodiode G425).
이렇게 제조된 태양전지의 성능을 시험한 결과를 아래 표 1에 나타내었다.
The results of testing the performance of the solar cell thus produced are shown in Table 1 below.
실시예Example 5 : 염료감응 태양전지의 제조 5: Manufacture of Dye-Sensitized Solar Cell
실시예 2에서 제조된 화합물을 염료로 사용한 것 외에는 실시예 4와 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.A dye-sensitized solar cell was manufactured in the same manner as in Example 4, except that the compound prepared in Example 2 was used as a dye.
이렇게 제조된 태양전지의 성능을 시험한 결과를 아래 표 1에 나타내었다.
The results of testing the performance of the solar cell thus produced are shown in Table 1 below.
실시예Example 6: 염료감응 태양전지의 제조 6: Manufacture of Dye-Sensitized Solar Cell
실시예 3에서 제조된 화합물을 염료로 사용한 것 외에는 실시예 4와 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.A dye-sensitized solar cell was manufactured in the same manner as in Example 4, except that the compound prepared in Example 3 was used as a dye.
이렇게 제조된 태양전지의 성능을 시험한 결과를 아래 표 1에 나타내었다.The results of testing the performance of the solar cell thus produced are shown in Table 1 below.
λabs/nm
(ε/M-1cm-1)Absorption
λ abs / nm
(ε / M -1 cm -1 )
λem/nmEmission
λ em / nm
/ mAcm-2 J sc
/ mAcm -2
/ mVV oc
/ mV
실시예 4 내지 실시예 6에서 제조된 태양전지의 성능을 시험한 결과, 단락전류 (Jsc)가 각각 9.58 mAcm-2, 9.83 mAcm-2 및 10.28 mAcm-2이고, 개방전압 (Voc)가 각각 681.7 mV, 602.6 mV 및 657.2mV, 충진인자 (FF)가 각각 0.727, 0.744 및 0.724의 값을 가지며, 광전 변환 효율 (η)은 각각 4.75%, 4.41% 및 4.89%를 나타내었다. 도 2는 실시예 3에서 제조된 염료 화합물 3의 자외선-가시광선 영역의 흡수파장을 나타낸 것으로, 몰 흡광계수는 470 nm 에서 33,500 dm3mol-1cm-1 이상으로, 기존의 금속 착화합물에 비해 현저히 높은 값을 가진다. 이러한 몰 흡광계수는 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시키는 데 있어서 중요한 변수가 된다. 도 3은 염료 화합물 3을 사용하여 제작한 태양전지의 IPCE 곡선을 나타낸 것으로, 475nm 파장 영역에서 70.6%의 높은 변환 효율을 가진다.
As a result of testing the performance of the solar cells prepared in Examples 4 to 6, the short circuit current (J sc ) was 9.58 mAcm -2 , 9.83 mAcm -2 and 10.28 mAcm -2 , respectively, and the open voltage (V oc ) was 681.7 mV, 602.6 mV and 657.2 mV, and filling factor (FF) had values of 0.727, 0.744 and 0.724, respectively, and the photoelectric conversion efficiencies (η) were 4.75%, 4.41% and 4.89%, respectively. Figure 2 shows the absorption wavelength of the ultraviolet-visible region of the dye compound 3 prepared in Example 3, the molar extinction coefficient is 33,500 dm 3 mol -1 cm -1 or more at 470 nm, compared to the conventional metal complex Has a significantly higher value. The molar extinction coefficient is an important variable in improving the photoelectric conversion efficiency of the solar cell. 3 shows an IPCE curve of a solar cell manufactured using the dye compound 3, and has a high conversion efficiency of 70.6% in the 475 nm wavelength region.
Claims (9)
[화학식 1]
(상기 식에서, D1 및 D2는 페닐기 이거나 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 알콕시기가 치환된 페닐기 중 어느 하나이고, C는 벤젠, 비닐벤젠 중 어느 하나이고, B는 벤젠, 퓨란, 티오펜, 피롤의 방향족 헤테로 고리기 중에서 선택된 어느 하나이며, A는 카르복시기임)Dye-sensitized solar cell dye having a structure of formula (1).
[Formula 1]
Wherein D 1 and D 2 are either phenyl groups, alkyl groups having 1 to 10 carbon atoms, or phenyl groups substituted with alkoxy groups, C is any one of benzene and vinylbenzene, and B is benzene, furan, thiophene, pyrrole Is any one selected from among aromatic heterocyclic groups, and A is a carboxy group)
[화학식 2]
The dye-sensitized solar cell dye according to claim 1, wherein the dye is a compound having a structure of Formula 2 below.
(2)
[화학식 3]
The dye-sensitized solar cell dye of claim 1, wherein the dye is a compound represented by the following Chemical Formula 3.
(3)
[화학식 4]
The dye-sensitized solar cell dye according to claim 1, wherein the dye is a compound represented by the following Chemical Formula 4.
[Chemical Formula 4]
Dye-sensitized solar cell device using the dye of claim 1.
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