KR101432407B1

KR101432407B1 - 광전 변환 소자 및 광전 변환 소자용 색소

Info

Publication number: KR101432407B1
Application number: KR1020127019005A
Authority: KR
Inventors: 준지 다나베; 아츠시 몬덴; 마사히로 신카이; 요헤이 아오야마; 겐사쿠 아키모토; 도루 야노
Original assignee: 가부시키가이샤 아데카
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: KR20120096582A; US8835651B2; EP2541672A1; JP2011181287A; JP5583990B2; CN102782932B; CN102782932A; WO2011104992A1; EP2541672A4; US20120305074A1

Abstract

근적외로부터 적외 영역에 있어서의 광 흡수 강도가 크고, 또 금속 산화물층으로의 밀착성이 우수하고, 이로써 광전 변환 소자의 광전 변환 특성을 높일 수 있는 광전 변환 소자용 색소 등을 제공한다. 색소가 금속 산화물층에 담지된 색소 담지 금속 산화물 전극을 갖는 작용 전극을 구비하는 광전 변환 소자에 있어서, 상기 색소로서, 하기 일반식 (1) :

로 나타내는 구조를 갖는 화합물을 사용한다. (식 (1) 중, R1 ∼ R4 는, 각각 독립적으로 탄소수가 4 ∼ 20 인 직사슬형 알킬기로, 각각이 동일하거나 상이해도 되며, A1 및 A2 는, 하기 방향 고리군 A (피롤 고리와의 축합 위치를 나타내기 위해 식 (1) 중의 피롤 고리를 원호 a 로 나타냈다) 에서 선택되는 어느 1 종으로, 각각이 동일하거나 상이해도 되며, 이들은 방향 고리에 치환기를 가져도 된다. An^p- 는 p 가의 아니온으로, p 는 1 혹은 2 이며, q 는 색소 전체의 전하를 중성으로 유지하는 계수이다.
＜방향 고리군 A＞

Description

광전 변환 소자 및 광전 변환 소자용 색소{PHOTOELECTRIC CONVERSION ELEMENT AND DYE FOR PHOTOELECTRIC CONVERSION ELEMENT}

본 발명은 광전 변환 소자 및 광전 변환 소자용 색소에 관한 것이다.

종래, 다종 다양한 기술 분야에 있어서 색소가 널리 사용되고 있다. 일례를 들면, 광전 변환 소자의 분야에서는, 예를 들어 색소 증감형 태양 전지의 작용 전극에 광 증감 작용을 갖는 색소가 이용되고 있다.

색소 증감형 태양 전지는, 일반적으로 색소의 담지체로서 산화물 반도체를 갖는 전극을 가지고 있으며, 이러한 색소가 입사된 광을 흡수하여 여기되고, 이 여기된 색소가 전자를 담지체에 주입함으로써 광전 변환을 실시한다. 그리고, 이런 종류의 색소 증감형 태양 전지는, 이론상, 유기계 태양 전지 중에서는 높은 에너지 변환 효율을 기대할 수 있으며, 또 종래의 실리콘 반도체를 사용한 태양 전지보다 저가격으로 제조할 수 있기 때문에 비용적으로 매우 유리하다고 여겨지고 있다.

한편, 광전 변환 소자에 사용되는 색소로는, 루테늄 착물계 색소나 시아닌계 색소 등의 유기 색소가 널리 알려져 있다. 특히 시아닌계 색소는, 비교적 안정성이 높고 또 용이하게 합성이 가능하기 때문에, 다양한 검토가 이루어지고 있다.

예를 들어 특허문헌 1 에는, 에너지 변환 효율 등의 향상을 목적으로 하여, 메틴 사슬 골격의 양단에 인돌레닌 골격이 결합된 구조를 가지며, 또한 산화물 반도체 전극에 흡착시키기 위한 앵커기로서 카르복실산기를 갖는 시아닌계 색소가 개시되어 있다.

또 특허문헌 2 에는, 근적외로부터 적외 영역에 있어서의 광전 변환 특성의 향상을 목적으로 하여, 시클로 고리가 도입된 헵타메틴 사슬 골격의 양단에 인돌레닌 골격이 결합된 구조를 가지며, 또한 산화물 반도체 전극에 흡착시키기 위한 앵커기로서 카르복실산기를 갖는 시아닌계 색소가 개시되어 있다.

일본 공개특허공보 2008-166119호 일본 공개특허공보 2007-220412호

현재, 광전 변환 특성의 추가적인 향상을 목적으로 하여, 흡수 파장 영역의 광역화가 검토되고 있으며, 특히 근적외로부터 적외 영역에 있어서의 광 흡수 강도가 큰 색소의 개발이 요구되고 있다. 또, 최근의 광전 변환 소자의 실용화 단계로의 이행에 수반하여, 단순히 에너지 변환 효율이 우수한 광전 변환 소자뿐만 아니라 새로운 부가 가치를 갖는 것, 예를 들어 각 색으로 컬러링된 광전 변환 소자나, 무색 투명의 광전 변환 소자, 각 색의 컬러링이 실시된 소자를 복수 병렬하여 컬러 코디네이트한 광전 변환 소자 등의 실현이 요구되고 있다.

그러나, 특허문헌 1 에 기재된 시아닌계 색소 등으로 대표되는 종래의 광전 변환 소자에 이용되고 있는 색소의 상당수는, 극대 흡수 파장이 450 ∼ 700 ㎚ 부근에 있어 근적외로부터 적외 영역의 광 흡수 강도가 작고, 또 청색 ∼ 황색으로 착색되고 있기 때문에, 재현 가능한 색상에 한계가 있어 새로운 컬러 바리에이션을 창출하기가 곤란하였다.

한편, 특허문헌 2 에 기재된 시아닌계 색소는, 극대 흡수 파장이 800 ㎚ 부근에 있어 무색 투명에 가까운 것이었는데, 금속 산화물층으로의 밀착성 (흡착성) 이 약하여 색소가 박리되기 쉽다는 문제점이 있었다. 또, 광전 변환 소자에 사용하는 색소로는 에너지 변환 효율이 불충분하여 추가적인 개선이 요구되고 있었다.

본 발명은 이러한 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 근적외로부터 적외 영역에 있어서의 광 흡수 강도가 크고, 또 금속 산화물층으로의 밀착성 (흡착성) 이 우수하고, 이로써 광전 변환 특성이 우수한 광전 변환 소자용 색소 및 광전 변환 소자를 제공하는 것에 있다. 그리고, 본 발명의 추가적인 목적은, 옅은 녹색 혹은 무색 투명의 광전 변환 소자용 색소 및 광전 변환 소자를 제공하는 것에 있다.

본 발명자들은 예의 연구를 거듭한 결과, 본 발명자들이 새롭게 합성한 특정 구조의 시아닌계 색소를 사용함으로써 상기 과제가 해결되는 것을 알아내고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명은 이하 ＜1＞ ∼ ＜7＞ 을 제공한다.

＜1＞ 색소가 금속 산화물층에 담지된 색소 담지 금속 산화물 전극을 갖는 작용 전극을 구비하는 광전 변환 소자에 있어서,

상기 색소로서, 하기 일반식 (1) :

[화학식 1]

(식 (1) 중, R1 ∼ R4 는, 각각 독립적으로 탄소수가 4 ∼ 20 인 직사슬형 알킬기로, 각각이 동일하거나 상이해도 되며, A1 및 A2 는, 하기 방향 고리군 A (피롤 고리와의 축합 위치를 나타내기 위해 식 (1) 중의 피롤 고리를 원호 a 로 나타냈다) 에서 선택되는 어느 1 종으로, 각각이 동일하거나 상이해도 되며, 이들은 방향 고리에 치환기를 가져도 된다. An^p- 는 p 가의 아니온으로, p 는 1 혹은 2 이며, q 는 색소 전체의 전하를 중성으로 유지하는 계수이다.

＜방향 고리군 A＞

[화학식 2]

로 나타내는 구조를 갖는 화합물을 함유하는 광전 변환 소자.

＜2＞ 상기 일반식 (1) 에 있어서, A1 및 A2 가 벤젠 고리인 상기 ＜1＞ 에 기재된 광전 변환 소자.

＜3＞ 상기 일반식 (1) 에 있어서, R1 ∼ R4 가 탄소수 10 ∼ 20 의 직사슬형 알킬기인 상기 ＜1＞ 또는 ＜2＞ 에 기재된 광전 변환 소자.

＜4＞ 상기 금속 산화물층은 실질적으로 산화아연으로 이루어지는 상기 ＜1＞ ∼ ＜3＞ 중 어느 한 항에 기재된 광전 변환 소자.

＜5＞ 하기 일반식 (1) :

[화학식 3]

＜방향 고리군 A＞

[화학식 4]

로 나타내는 구조를 갖는 광전 변환 소자용 색소.

＜6＞ 상기 일반식 (1) 에 있어서, A1 및 A2 가 벤젠 고리인 상기 ＜5＞ 에 기재된 광전 변환 소자용 색소.

＜7＞ 상기 일반식 (1) 에 있어서, R1 ∼ R4 가 탄소수 10 ∼ 20 의 직사슬형 알킬기인 상기 ＜5＞ 또는 ＜6＞ 에 기재된 광전 변환 소자용 색소.

본 발명에 의하면, 근적외로부터 적외 영역에 있어서의 광 흡수 강도가 크고, 또 금속 산화물층으로의 밀착성 (흡착성) 이 우수한 광전 변환 소자용 색소가 실현된다. 그 때문에, 이 광전 변환 소자용 색소를 사용함으로써, 광전 변환 특성이 높아진 광전 변환 소자를 간이하게 또한 확실하게 실현할 수 있다. 또한, 광전 변환 특성이 우수할 뿐만 아니라, 옅은 녹색 혹은 무색 투명을 띠는 광전 변환 소자도 실현할 수 있어 새로운 컬러 바리에이션을 창출할 수 있다.

도 1 은 색소 증감형 태양 전지 (100) 의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하여, 중복되는 설명을 생략한다. 또, 상하 좌우 등의 위치 관계는, 특별히 언급하지 않는 한 도면에 나타내는 위치 관계에 기초하는 것으로 한다. 또한, 도면의 치수 비율은, 도시하는 비율에 한정되는 것은 아니다. 또, 이하의 실시형태는 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명은 그 실시형태에만 한정되지 않는다.

본 실시형태의 색소는, 색소 증감형 태양 전지 등의 광전 변환 소자에 사용되는 것으로, 일반식 (1) 로 나타내는 구조 (이하, 「일반식 (1) 에 나타내는 시아닌 구조」라고도 한다) 를 갖는 것이다. 일반식 (1) 에 나타내는 시아닌 구조를 갖는 화합물 (이하, 「본 실시형태의 시아닌 화합물」이라고도 한다) 은, 예를 들어 금속 산화물 반도체 재료를 함유하는 금속 산화물층 (담지체) 에 대하여 흡착성 (결합성) 을 가짐과 함께, 광을 흡수하여 여기되고, 전자를 그 담지체에 대하여 주입할 수 있는 화합물이다.

[화학식 5]

＜방향 고리군 A＞

[화학식 6]

일반식 (1) 에 있어서, 탄소수가 4 ∼ 20 인 직사슬형 알킬기란, n-부틸기, n-펜틸기, n-헥실기, n-헵틸기, n-옥틸기, n-노닐기, n-데실기, n-운데실기, n-도데실기, n-트리데실기, n-테트라데실기, n-펜타데실기, n-헥사데실기, n-헵타데실기, n-옥타데실기, n-노나데실기, n-에이코실기를 의미한다.

일반식 (1) 에 있어서, R1 ∼ R4 는, 광전 변환 특성을 높이는 관점에서, 모두 탄소수가 4 ∼ 20 의 직사슬형 알킬기인 것이 필요하게 된다. 탄소수 3 이하의 알킬기를 사용하면, 본 실시형태의 시아닌 화합물의 회합 억제가 불충분해지고, 또 본 실시형태의 시아닌 화합물의 금속 산화물 반도체 재료로의 흡착성이 열화되는 경향이 있다. 한편, 탄소수 21 이상의 알킬기를 사용하면, 분자간 거리가 지나치게 커져, 본 실시형태의 시아닌 화합물로부터 금속 산화물 반도체 재료로의 전자 주입 효율이 떨어지는 경향이 있다. 또, R1 ∼ R4 중 2 개만이 탄소수 4 ∼ 20 의 직사슬형 알킬기인 경우는, 본 실시형태의 시아닌 화합물의 회합 억제가 불충분해져 우수한 광전 변환 특성을 얻기 어려운 경향이 있다. 또, R1 ∼ R4 중 1 개만 또는 3 개만이 탄소수 4 ∼ 20 의 직사슬형 알킬기인 경우는, 합성이 곤란하여 고비용화되는 경향이 있다. 이러한 관점에서, 일반식 (1) 에 있어서 R1 ∼ R4 의 전부가 탄소수 10 ∼ 20 의 직사슬형 알킬기인 것이 바람직하다.

일반식 (1) 에 있어서, A1 및 A2 는, 분자 전체로서의 π 공액을 넓혀 광 흡수 파장역의 폭을 브로드화함과 함께, 그 광 흡수 피크의 극대 흡수 파장은 800 ㎚ 부근에 설정하는 관점에서, 상기 방향 고리군 A 에서 선택되는 어느 1 종의 방향 고리인 것이 필요하게 된다. 이들 중에서도, A1 및 A2 는 벤젠 고리인 것이 바람직하다. A1 및 A2 는, 각각이 동일한 방향 고리이거나 상이한 방향 고리여도 되지만, 합성이 용이하여 저비용화를 도모하는 관점에서, 동일한 방향 고리인 것이 바람직하다.

일반식 (1) 에 있어서, 상기 방향 고리군 A 에 나타내는 방향 고리는, 모두 치환기를 가져도 된다. 이러한 방향 고리에 도입되어도 되는 치환기로는, 예를 들어 수산기, 카르복실기, 니트로기, 시아노기, 할로겐 원자 (F, Cl, Br 등), 탄소수 1 ∼ 4 의 직사슬형 또는 분지형의 알킬기 (메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, sec-부틸기, tert-부틸기 등), 탄소수 1 ∼ 4 이하의 할로겐화알킬기 (CF₃, CCl₃ 등), 탄소수 1 ∼ 4 의 알콕시기 (메톡시기, 에톡시기, 프로필옥시기, 이소프로필옥시기, 부틸옥시기, 제2부틸옥시기, 제3부틸옥시기 등), 탄소수 1 ∼ 4 의 할로겐화알콕시기 등을 들 수 있지만, 이들에 특별히 한정되지 않는다. 또한, A1 및 A2 의 방향 고리의 치환기는, 각각이 동일하거나 상이해도 된다.

본 실시형태의 시아닌 화합물은, 화합물 전체의 전하를 중성으로 유지하기 위해서 카운터 아니온 (일반식 (1) 에 있어서, An^p- 로 나타낸다) 을 가지고 있어도 된다. 카운터 아니온으로는, 1 가 혹은 2 가의 아니온이면 임의의 것을 사용할 수 있다. 일반식 (1) 의 An^p ^- 에 있어서, p = 1 의 경우의 아니온 (1 가의 아니온 ; An^-) 의 구체예로는, 예를 들어 불화물 이온 (F^-), 염화물 이온 (Cl^-), 브롬화물 이온 (Br^-) 혹은 요오드화물 이온 (I^-) 등의 할로겐화물 이온이나, 헥사플루오로인산 이온 (PF₆ ^-), 헥사플루오로안티몬산 이온 (SbF₆ ^-), 과염소산 이온 (ClO₄ ^-), 테트라플루오로붕산 이온 (BF₄ ^-), 염소산 이온 혹은 티오시안산 이온 등의 무기계 음이온이나, 벤젠술폰산 이온, 톨루엔술폰산 이온, 트리플루오로메탄술폰산 이온, 디페닐아민-4-술폰산 이온, 2-아미노-4-메틸-5-클로로벤젠술폰산 이온, 2-아미노-5-니트로벤젠술폰산 이온, N-알킬디페닐아민-4-술폰산 이온 혹은 N-아릴디페닐아민-4-술폰산 이온 등의 유기 술폰산계 음이온이나, 옥틸인산 이온, 도데실인산 이온, 옥타데실인산 이온, 페닐인산 이온, 노닐페닐인산 이온 혹은 2,2＇-메틸렌비스(4,6-디-t-부틸페닐)포스폰산 이온 등의 유기 인산계 음이온이나, 그 외에 비스트리플루오로메틸술포닐이미드 이온, 비스퍼플루우로부탄술포닐이미드 이온, 퍼플루오로-4-에틸시클로헥산술폰산 이온, 테트라키스(펜타플루오로페닐)붕산 이온 혹은 트리스(플루오로알킬술포닐)카르보 아니온 등을 들 수 있지만, 이들에 특별히 한정되지 않는다. 또, 일반식 (1) 의 An^p ^- 에 있어서, p = 2 의 경우의 아니온 (2 가의 아니온 ; An² ^-) 으로는, 예를 들어 황산 이온 (SO₄ ² ^-), 벤젠디술폰산 이온 혹은 나프탈렌디술폰산 이온 등을 들 수 있다. 여기서, 일반식 (1) 중에서 설명한 q 는, 일반식 (1) 에 나타낸 시아닌 화합물 전체로서 전하를 중성으로 유지하는 계수로, 0 이어도 된다. 또, q = 1 의 경우에는, An^p ^- 가 1 가의 아니온인 An^- 가 되고, 화합물 전체의 전하를 중성으로 유지하도록 염을 형성한다. 또, An^p ^- 가 2 가의 아니온인 An² ^- 의 경우에는, q = 1/2 가 된다. 즉, q 는 0 혹은 1/p 이다. 또, 본 실시형태의 시아닌 화합물은 분자 내에서 염을 형성한, 소위 내부 염이어도 된다. 이 경우, 본 실시형태의 시아닌 화합물은, 예를 들어 인돌레닌 골격의 질소 원자에 도입된 -CH₂CH₂COOH 기 등의 산성기가 이온화된 것이 된다.

본 실시형태의 시아닌 화합물은 R1 ∼ R4 에 탄소수가 4 ∼ 20 인 직사슬형 알킬기가 도입되어 있어 분자 회합이 억제되고 있기 때문에, 여기 전자가 잘 실활되지 않아 금속 산화물 반도체 재료에 대하여 효율적으로 전자가 주입된다. 그 때문에, 색소로서 본 실시형태의 시아닌 화합물을 사용한 광전 변환 소자에서는, 조사된 광량에 대하여 본 실시형태의 시아닌 화합물로부터 금속 산화물 반도체 재료로의 전자 주입량의 비율이 높아져 IPCE (Incident Photons to Current conversion Efficiency) 가 향상되고, 그 결과, 변환 효율이 향상된 것으로 생각된다. 또한, IPCE 란, 광전 변환 소자에 있어서 조사된 광의 광자수에 대한 광 전류의 전자수로의 변환된 비율을 나타내는 것으로, IPCE (％) = Isc × 1240/λ × 1/φ (식 중, Isc 는 단락 전류이며, λ 는 파장이며, φ 는 입사광 강도이다) 에 의해 구해진다.

또, 상기 서술한 바와 같이, 특허문헌 2 에 기재된 시아닌계 색소에 있어서는, 금속 산화물층으로의 밀착성 (흡착성) 이 약하여 광전 변환 소자에 사용하는 색소로는 에너지 변환 효율이 불충분하였다. 이 특허문헌 2 에 기재된 시아닌계 색소와의 비교로부터, 추가로 이하가 추찰된다. 즉, 본 실시형태의 시아닌 화합물에 있어서는, R1 ∼ R4 에 탄소수가 4 ∼ 20 인 직사슬형 알킬기가 도입되어 시아닌 화합물의 회합이 억제되고 있는 한편 헵타메틴 사슬 골격에 시클로 고리 등이 도입되어 있지 않는 점에서, 이른바 앵커기 근방의 입체 장해가 완화된 설계로 되어 있어, 인돌레닌 골격의 질소 원자에 도입된 -CH₂CH₂COOH 기의 금속 산화물층으로의 흡착이 촉진되어, 그 밀착성이 높아지고 있다. 또, 특허문헌 2 에 기재된 시아닌계 색소와는 달리, 헵타메틴 사슬 골격에 시클로 고리가 도입되어 있지 않기 때문에, 본 실시형태의 시아닌 화합물은 금속 산화물 반도체 재료에 대한 전자 주입이 높아지고 있다. 이들이 어우러진 결과, 본 실시형태의 시아닌 화합물을 사용한 광전 변환 소자는, 특허문헌 2 에 기재된 시아닌계 색소를 사용한 것에 비하여 에너지 변환 효율이 높아진 것으로 생각된다.

또한, 본 실시형태의 시아닌 화합물은, 일반식 (1) 에 나타내는 시아닌 구조를 갖는 것이면, 그 밖의 구조에 대해서는 특별히 한정되지 않는다. 또, 본 실시형태의 시아닌 화합물은, 일반식 (1) 에 나타내는 시아닌 구조를 갖는 것이면, 그 거울상 이성체나 디아스테레오머 또는 그들의 혼합물이라도 동일한 효과가 얻어진다. 또, 상기한 「앵커기」란, 금속 산화물 반도체 재료를 함유하는 금속 산화물층 (담지체) 에 대하여, 화학적 혹은 정전적인 친화력 또는 결합능을 갖는 기를 가리킨다. 이 앵커기는, 인돌레닌 골격의 질소 원자에 도입된 -CH₂CH₂COOH 기 외에, 상기 방향 고리군 A 에 나타내는 방향 고리에 도입되어 있어도 된다.

본 실시형태의 시아닌 화합물의 구체예로는 이하의 것을 들 수 있지만, 이들에 특별히 한정되지 않는다. 또한, 이하의 (B4) ∼ (B18) 에 있어서는, 일반식 (1) 중의 An^p ^- 를 함유하지 않는 구조만을 나타냈지만, 상기 서술한 바와 같이, 이들은 임의의 An^p ^- 를 가지고 있어도 된다. 즉, 상기 서술한 1 가 혹은 2 가의 아니온이면 임의로 조합할 수 있으며, 그 밖의 아니온이어도 동일하다. 또, 상기 서술한 바와 같이, 이하의 (B4) ∼ (B18) 에 있어서는, 예를 들어 산성기가 이온화되어 내부 염을 형성하고 있어도 된다.

[화학식 7]

[화학식 8]

[화학식 9]

[화학식 10]

[화학식 11]

[화학식 12]

[화학식 13]

[화학식 14]

[화학식 15]

[화학식 16]

[화학식 17]

[화학식 18]

[화학식 19]

[화학식 20]

[화학식 21]

[화학식 22]

[화학식 23]

[화학식 24]

본 실시형태의 시아닌 화합물은, CIE (Commission Internationale d'Eclairage) Yxy 표색계의 색도 좌표 (x, y) 가, 0.0≤x≤0.4, 및 0.3≤y≤0.8 의 범위 내에 있는 것이 바람직하고, 0.30≤x≤0.33, 및 0.32≤y≤0.35 의 범위 내에 있는 것이 보다 바람직하다. 이러한 범위에 있는 본 실시형태의 시아닌 화합물은 옅은 녹색 ∼ 녹색을 띠므로, 또 육안 관찰에서 무색 투명의 작용 전극을 실현할 수 있으므로, 광전 변환 특성이 우수한 광전 변환 소자에 있어서 새로운 컬러 바리에이션을 창출하는 것이 가능해진다. 또한, 본 명세서에 있어서, CIE Yxy 표색계의 색도 좌표 (x, y) 의 측정은, 광전 변환 소자용 작용 전극 (기체 (基體) 상에 색소가 담지된 금속 산화물 전극을 갖는 것) 을 제작하고, 이 작용 전극을 이용하여 측정한 것을 의미한다. 이 때, 색소의 흡착량은 에너지 변환 효율이 가장 높아지도록 최적화한 것으로 한다.

일반식 (1) 에 나타내는 시아닌 화합물은, 주지의 일반적인 반응을 이용한 방법으로 얻을 수 있으며, 그 제조 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 하기의 화학 반응식 (Ⅰ) 에 나타내는 루트와 같이, 인돌레늄염 및 아미딘염산염으로부터 일반식 (1) 에 나타내는 시아닌 화합물을 합성할 수 있다.

[화학식 25]

다음으로, 본 실시형태에 관련된 광전 변환 소자용 색소의 사용예에 대하여 설명한다.

도 1 은, 본 실시형태의 광전 변환 소자인 색소 증감형 태양 전지 (100) 의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.

본 실시형태의 색소 증감형 태양 전지 (100) 는, 작용 전극 (11) 과, 대향 전극 (21) 과, 이들 작용 전극 (11) 및 대향 전극 (21) 의 사이에 형성된 전해질 (31) 을 구비한다. 작용 전극 (11) 및 대향 전극 (21) 중 적어도 일방은 광 투과성을 갖는 전극으로 되어 있다. 작용 전극 (11) 과 대향 전극 (21) 은 스페이서 (41) 를 개재시켜 대향 배치되고, 이들 작용 전극 (11), 대향 전극 (21) 및 스페이서 (41) 그리고 도시되지 않은 봉지 부재에 의해 획성되는 봉지 공간 내에 전해질 (31) 이 봉입되어 있다.

작용 전극 (11) 은, 외부 회로에 대하여 부극으로서 기능한다. 작용 전극 (11) 은, 기체 (12) 의 도전성 표면 (12a) 상에 금속 산화물 (금속 산화물 반도체 재료) 을 함유하는 다공성 금속 산화물층 (13) 을 구비하고, 그 금속 산화물층 (13) 에 상기 서술한 일반식 (1) 에 나타내는 시아닌 구조를 갖는 화합물 (색소) 이 담지 (흡착) 됨으로써 색소 담지 금속 산화물 전극 (14) 이 형성된 것이다. 바꾸어 말하면, 본 실시형태의 작용 전극 (11) 은, 상기 서술한 일반식 (1) 에 나타내는 시아닌 구조를 갖는 화합물이 금속 산화물층 (13) 의 금속 산화물 (금속 산화물 반도체 재료) 표면에 담지 (흡착) 된 복합 구조체가, 기체 (12) 의 도전성 표면 (12a) 상에 적층된 구성 (색소 담지 금속 산화물 전극 (14)) 으로 되어 있다.

기체 (12) 로는, 적어도 금속 산화물층 (13) 을 지지 가능한 것이면 그 종류나 치수 형상은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 판상 혹은 시트상인 것이 바람직하게 사용된다. 그 구체예로는, 예를 들어 유리 기판, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 테트라아세틸셀룰로오스 (TAC), 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리에틸렌나프탈레이트 (PEN), 신디오택틱폴리스티렌 (SPS), 폴리페닐렌술파이드 (PPS), 폴리카보네이트 (PC), 폴리아릴레이트 (PAR), 폴리술폰 (PSF), 폴리에스테르술폰 (PES), 폴리에테르이미드 (PEI), 고리형 폴리올레핀 혹은 브롬화페녹시 등의 플라스틱 기판, 금속 기판 혹은 합금 기판, 세라믹스 기판 또는 이들의 적층체 등을 들 수 있다. 또, 기체 (12) 는 투광성을 갖는 것이 바람직하고, 가시광 영역에 있어서의 투광성이 우수한 것이 보다 바람직하다. 또한, 기체 (12) 는 가요성을 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 그 가요성을 살린 다양한 형태의 구조물을 제공할 수 있다.

도전성 표면 (12a) 은, 예를 들어 도전성 PET 필름과 같이 기체 (12) 상에 투명 도전막을 형성하거나 하여 기체 (12) 에 부여할 수 있다. 또, 도전성을 갖는 기체 (12) 를 사용함으로써, 기체 (12) 에 도전성 표면 (12a) 을 부여하는 처리를 생략할 수 있다. 투명 도전막의 구체예로는, 예를 들어 금 (Au), 은 (Ag) 혹은 백금 (Pt) 등을 함유하는 금속 박막이나, 도전성 고분자 등으로 형성된 것 외에, 인듐-주석 산화물 (ITO), 인듐-아연 산화물 (IZO), SnO₂, InO₃ 외에, SnO₂ 에 불소를 도프한 FTO (F-SnO₂) 등을 들 수 있지만, 이들에 특별히 한정되지 않는다. 이들은 각각을 단독으로 사용하거나 복수를 조합하여 사용해도 된다. 투명 도전막의 형성 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 증착법, CVD 법, 스프레이법, 스핀 코트법, 혹은 침지법 등 공지된 수법을 적용할 수 있다. 또, 투명 도전막의 막두께는 적절히 설정 가능하다. 또한, 기체 (12) 의 도전성 표면 (12a) 은, 필요에 따라 적절한 표면 개질 처리가 실시되어 있어도 된다. 그 구체적으로는, 예를 들어 계면 활성제, 유기 용제 또는 알칼리성 수용액 등에 의한 탈지 처리, 기계적 연마 처리, 수용액으로의 침지 처리, 전해액에 의한 예비 전해 처리, 수세 처리, 건조 처리 등 공지된 표면 처리를 들 수 있지만, 이들에 특별히 한정되지 않는다.

금속 산화물층 (13) 은 색소를 담지하는 담지체이다. 금속 산화물층 (13) 은, 일반적으로는 공극이 많고, 표면적이 큰 다공질 구조를 가지고 있는 것이 이용되며, 치밀하고 공극이 적은 것인 것이 바람직하고, 막상인 것이 보다 바람직하다. 특히, 금속 산화물층 (13) 은 다공질의 미립자가 부착되어 있는 구조인 것이 보다 바람직하다.

본 실시형태의 금속 산화물층 (13) 은, 산화티탄, 산화아연, 산화주석, 산화니오브, 산화인듐, 산화지르코늄, 산화탄탈, 산화바나듐, 산화이트륨, 산화알루미늄 또는 산화마그네슘 등의 금속 산화물을 주성분으로 하는 다공성의 반도체층이다. 이들 금속 산화물은, 1 종만을 단독으로 이용하거나 2 종 이상을 복합 (혼합, 혼정, 고용체 등) 하여 사용해도 된다. 예를 들어, 산화아연과 산화주석, 산화티탄과 산화니오브 등의 조합으로 사용할 수도 있다. 높은 에너지 변환 효율을 얻는 관점에서, 금속 산화물층 (13) 은 실질적으로 산화아연으로 이루어지는 층인 것이 바람직하다. 여기서, 「실질적으로 산화아연으로 이루어지는」이란, 산화아연을 95 wt％ 이상 함유하는 것을 의미한다. 또한, 금속 산화물층 (13) 은, 티탄, 주석, 아연, 철, 텅스텐, 지르코늄, 스트론튬, 인듐, 세륨, 바나듐, 니오브, 탄탈, 카드뮴, 납, 안티몬, 비스무트 등의 금속, 이들의 금속 산화물 및 이들의 금속 칼코게나이드를 함유하고 있어도 된다. 또한, 금속 산화물층 (13) 의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 0.05 ∼ 50 ㎛ 인 것이 바람직하다.

금속 산화물층 (13) 의 형성 방법으로는, 예를 들어 금속 산화물의 분산액을 기체 (12) 의 도전성 표면 (12a) 상에 부여한 후에 건조시키는 방법, 금속 산화물의 분산액 혹은 페이스트 (금속 산화물 슬러리) 를 기체 (12) 의 도전성 표면 (12a) 상에 부여한 후에 고온 소결하는 방법, 금속 산화물의 분산액 혹은 페이스트를 기체 (12) 의 도전성 표면 (12a) 상에 부여한 후에 50 ∼ 150 ℃ 정도의 저온 처리를 실시하는 방법 외에, 금속염을 함유하는 전해액으로부터 기체 (12) 의 도전성 표면 (12a) 상에 캐소드 전석 (電析) 시키는 방법 등을 들 수 있지만, 이들에 특별히 한정되지 않는다. 여기서, 고온 소결을 필요로 하지 않는 방법을 채용하면, 기체 (12) 로서 내열성이 낮은 플라스틱 재료를 사용할 수 있기 때문에, 플렉시블성이 높은 작용 전극 (11) 을 제작하는 것이 가능해진다.

금속 산화물층 (13) 에는, 광을 흡수하여 여기됨으로써 전자를 금속 산화물에 주입하는 것이 가능한 색소 (증감 색소) 로서, 상기 서술한 일반식 (1) 에 나타내는 시아닌 구조를 갖는 화합물이 담지 (흡착) 되어 있다.

또한, 색소로서 상기 서술한 일반식 (1) 에 나타내는 시아닌 구조를 갖는 화합물 외에, 다른 색소 (증감 색소) 를 함유하고 있어도 된다. 광전 변환 소자에 요구되는 성능에 따라, 원하는 광 흡수대·흡수 스펙트럼을 갖는 것을 적용할 수 있다.

다른 색소의 구체예로는, 예를 들어 에오신 Y, 디브로모플루오레세인, 플루오레세인, 로다민 B, 피로갈롤, 디클로로플루오레세인, 에리트로신 B (에리트로신은 등록 상표), 플루오레신, 머큐로크롬, 시아닌계 색소, 메로시아닌디스아조계 색소, 트리스아조계 색소, 안트라퀴논계 색소, 다고리 퀴논계 색소, 인디고계 색소, 디페닐메탄계 색소, 트리메틸메탄계 색소, 퀴놀린계 색소, 벤조페논계 색소, 나프토퀴논계 색소, 페릴렌계 색소, 플루오레논계 색소, 스쿠아릴륨계 색소, 아줄레늄계 색소, 페리논계 색소, 퀴나크리돈계 색소, 무금속 프탈로시아닌계 색소 또는 무금속 포르피린계 색소 등의 유기 색소 등을 들 수 있다. 또, 이들 외의 색소는 금속 산화물과 결합 또는 흡착할 수 있는 앵커기 (예를 들어, 카르복실기, 술폰산기 혹은 인산기 등) 를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 이들 외의 색소는 각각을 단독으로 이용하거나 복수를 조합하여 사용해도 된다.

또, 다른 색소로서, 예를 들어 유기 금속 착물 화합물도 사용 가능하다. 유기 금속 착물 화합물의 구체예로는, 예를 들어 방향족 복소 고리 내에 있는 질소 아니온과 금속 카티온으로 형성되는 이온성의 배위 결합과, 질소 원자 또는 칼코겐 원자와 금속 카티온 사이에 형성되는 비이온성 배위 결합의 양방을 갖는 유기 금속 착물 화합물이나, 산소 아니온 혹은 황 아니온과 금속 카티온으로 형성되는 이온성의 배위 결합과, 질소 원자 또는 칼코겐 원자와 금속 카티온 사이에 형성되는 비이온성 배위 결합의 양방을 갖는 유기 금속 착물 화합물 등을 들 수 있다. 보다 구체적으로는, 구리 프탈로시아닌, 티타닐프탈로시아닌 등의 금속 프탈로시아닌계 색소, 금속 나프탈로시아닌계 색소, 금속 포르피린계 색소, 그리고, 비피리딜루테늄 착물, 터피리딜루테늄 착물, 페난트롤린루테늄 착물, 바이신코닌산루테늄 착물, 아조루테늄 착물 혹은 퀴놀리놀루테늄 착물 등의 루테늄 착물 등을 들 수 있다. 이들은 각각을 단독으로 이용하거나 복수를 조합하여 사용해도 된다.

또, 색소는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가제를 함유하고 있어도 된다. 이 첨가제로는, 예를 들어 색소의 회합을 억제하는 회합 억제제를 들 수 있으며, 구체적으로는 화학식 (2) 로 나타내는 콜산계 화합물 등이다. 이들은 단독으로 이용해도 되고, 복수 종을 혼합하여 사용해도 된다.

[화학식 26]

(상기 식 (2) 중, R91 은 산성기를 갖는 알킬기이다. R92 는 화학식 중의 스테로이드 골격을 구성하는 탄소 원자의 어느 것에 결합되는 기를 나타내고, 수산기, 할로겐기, 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 복소 고리기, 아실기, 아실옥시기, 옥시카르보닐기, 옥소기 혹은 산성기 또는 그들의 유도체로, 그것들은 동일해도 되고 상이해도 된다. t 는 1 이상 5 이하의 정수이다. 화학식 중의 스테로이드 골격을 구성하는 탄소 원자와 탄소 원자 사이의 결합은, 단결합이어도 되고 이중 결합이어도 된다)

색소를 금속 산화물층 (13) 에 담지시키는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 그 구체예로는, 예를 들어 색소를 함유하는 용액에 금속 산화물층 (13) 을 침지하는 방법, 색소를 함유하는 용액을 금속 산화물층 (13) 에 도포하는 방법 등을 들 수 있다. 여기서 사용하는 색소 함유 용액의 용매는, 사용하는 색소의 용해성 또는 상용성 등에 따라, 예를 들어 물, 에탄올계 용매, 니트릴계 용매, 케톤계 용매 등의 공지된 용매에서 적절히 선정할 수 있다.

여기서, 캐소드 전석법에 의해 금속 산화물층 (13) 을 형성하는 경우, 금속염 및 색소를 함유하는 전해액을 사용함으로써, 금속 산화물층 (13) 의 형성과 색소 담지를 동시에 실시하여, 색소가 금속 산화물층 (13) 의 금속 산화물 표면에 담지 (흡착) 된 색소 담지 금속 산화물 전극 (14) 을 즉시 형성할 수도 있다. 전해 조건은, 통상적인 방법에 따라, 사용하는 재료의 특성에 따라 적절히 설정하면 된다. 예를 들어, ZnO 와 색소로 이루어지는 색소 담지 금속 산화물 전극 (14) 을 형성하는 경우에는, 환원 전해 전위는 -0.8 ∼ -1.2 V (vs. Ag/AgCl) 정도, pH 는 4 ∼ 9 정도, 전해액의 욕온은 0 ∼ 100 ℃ 정도가 바람직하다. 또, 전해액 중의 금속 이온 농도는, 0.5 ∼ 100 mM 정도, 전해액 중의 색소 농도는 50 ∼ 500 μM 정도가 바람직하다. 또한, 광전 변환 특성을 보다 더 높이기 위해서, 색소가 담지된 금속 산화물층 (13) 으로부터 일단 색소를 탈착시키고, 그 후에 다른 색소를 재흡착시켜도 된다.

또한, 작용 전극 (11) (금속 산화물 전극 (14)) 은, 기체 (12) 의 도전성 표면 (12a) 과 금속 산화물층 (13) 사이에 중간층을 가지고 있어도 된다. 중간층의 재료는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 상기 투명 도전막 (12a) 에서 설명한 금속 산화물 등이 바람직하다. 중간층은, 예를 들어 증착법, CVD 법, 스프레이법, 스핀 코트법, 침지법 혹은 전석법 등의 공지된 수법에 의해, 기체 (12) 의 도전성 표면 (12a) 에 금속 산화물을 석출 혹은 퇴적시킴으로써 형성할 수 있다. 또한, 중간층은 투광성을 갖는 것이 바람직하고, 또한 도전성을 갖는 것이 바람직하다. 또, 중간층의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 0.1 ∼ 5 ㎛ 정도가 바람직하다.

대향 전극 (21) 은, 외부 회로에 대하여 정극으로서 기능한다. 대향 전극 (21) 은, 도전성 표면 (22a) 을 갖는 기체 (22) 로 이루어지고, 그 도전성 표면 (22a) 이 작용 전극 (11) 의 금속 산화물층 (13) 과 대면하도록 대향 배치되어 있다. 기체 (22) 및 도전성 표면 (22a) 은, 상기 서술한 기체 (12) 및 도전성 표면 (12a) 과 마찬가지로 공지된 것을 적절히 채용할 수 있으며, 예를 들어 도전성을 갖는 기체 (12) 외에, 기체 (12) 상에 투명 도전막 (12a) 을 갖는 것, 기체 (12) 의 투명 도전막 (12a) 상에 추가로 백금, 금, 은, 구리, 알루미늄, 인듐, 몰리브덴, 티탄, 로듐, 루테늄 혹은 마그네슘 등의 금속, 카본, 도전성 폴리머 등의 막 (판, 박) 을 형성한 것 등을 사용할 수 있다.

전해질 (31) 로는, 산화 환원쌍을 갖는 레독스 전해질이나 이것을 겔화한 반고체 전해질 혹은 p 형 반도체 고체 홀 수송 재료를 성막한 것 등, 일반적으로 전지나 태양 전지 등에 있어서 사용되고 있는 것을 적절히 사용할 수 있다. 또한, 전해질 (31) 은 1 종을 단독으로 이용하거나 2 종 이상을 병용해도 된다.

레독스 전해질로는, 예를 들어 I^-／I₃ ^- 계, Br^-／Br₃ ^- 계, 또는 퀴논/하이드로퀴논계 등을 들 수 있다. 구체적으로는, 요오드화물염과 요오드 단체를 조합한 것, 또는 브롬화물염과 브롬을 조합한 것 등, 할로겐화물염과 할로겐 단체를 조합한 것 등이다. 이러한 산화 환원제의 함유량은 특별히 한정되지 않지만, 전해질의 총량에 대하여 1 × 10^-4 ∼ 1 × 10^-2 ㏖/g 이 바람직하고, 1 × 10^-3 ∼ 1 × 10^-2 ㏖/g 이 보다 바람직하다.

상기 할로겐화물염으로는, 예를 들어 할로겐화세슘, 할로겐화4급알킬암모늄류, 할로겐화이미다졸륨류, 할로겐화티아졸륨류, 할로겐화옥사졸륨류, 할로겐화퀴놀리늄류, 또는 할로겐화피리디늄류 등을 들 수 있다. 보다 구체적으로는, 이들의 요오드화물염으로는, 예를 들어 요오드화세슘이나, 테트라에틸암모늄요오디드, 테트라프로필암모늄요오디드, 테트라부틸암모늄요오디드, 테트라펜틸암모늄요오디드, 테트라헥실암모늄요오디드, 테트라헵틸암모늄요오디드 혹은 트리메틸페닐암모늄요오디드 등의 4급알킬암모늄요오디드류나, 3-메틸이미다졸륨요오디드 혹은 1-프로필-2,3-디메틸이미다졸륨요오디드 등의 이미다졸륨요오디드류나, 3-에틸-2-메틸-2-티아졸륨요오디드, 3-에틸-5-(2-하이드록시에틸)-4-메틸티아졸륨요오디드 혹은 3-에틸-2-메틸벤조티아졸륨요오디드 등의 티아졸륨요오디드류나, 3-에틸-2-메틸-벤조옥사졸륨요오디드 등의 옥사졸륨요오디드류나, 1-에틸-2-메틸퀴놀리늄요오디드 등의 퀴놀리늄요오디드류나, 피리디늄요오디드류 등을 들 수 있다. 또, 브롬화물염으로는, 예를 들어 4급알킬암모늄브로마이드 등을 들 수 있다. 할로겐화물염과 할로겐 단체를 조합한 것 중에서도, 상기한 요오드화물염 중 적어도 1 종과 요오드 단체의 조합이 바람직하다.

또 레독스 전해질은, 예를 들어 이온성 액체와 할로겐 단체를 조합한 것이어도 된다. 이 경우에는, 추가로 상기한 할로겐화물염 등을 함유하고 있어도 된다. 이온성 액체는, 일반적으로 전지나 태양 전지 등에 있어서 사용되고 있는 것을 적절히 사용할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다. 이온성 액체의 구체예로는, 예를 들어 「Inorg. Chem.」1996, 35, p1168 ∼ 1178, 「Electrochemistry」2002, 2, p130 ∼ 136, 일본 공표특허공보 평9-507334호, 혹은 일본 공개특허공보 평8-259543호 등에 개시되어 있는 것을 들 수 있다.

이온성 액체는, 실온 (25 ℃) 보다 낮은 융점을 갖는 염, 또는 실온보다 높은 융점을 가지고 있어도 다른 용융 염 등과 용해시킴으로써 실온에서 액상화되는 염이 바람직하다. 이러한 이온성 액체의 구체예로는, 이하에 나타낸 아니온 및 카티온 등을 들 수 있다.

이온성 액체의 카티온으로는, 예를 들어 암모늄, 이미다졸륨, 옥사졸륨, 티아졸륨, 옥사디아졸륨, 트리아졸륨, 피롤리디늄, 피리디늄, 피페리디늄, 피라졸륨, 피리미디늄, 피라지늄, 트리아지늄, 포스포늄, 술포늄, 카르바졸륨, 인돌륨 및 그들의 유도체를 들 수 있다. 이들은 각각을 단독으로 이용하거나 복수 조합하여 사용해도 된다. 구체적으로는, 1-메틸-3-프로필이미다졸륨, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨, 1,2-디메틸-3-프로필이미다졸륨 혹은 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 등을 들 수 있다.

이온성 액체의 아니온으로는, 예를 들어 AlCl₄ ^- 혹은 Al₂Cl₇ ^- 등의 금속 염화물이나, PF₆ ^-, BF₄ ^-, CF₃SO₃ ^-, N(CF₃SO₂)₂ ^-, F(HF)_n ^- 혹은 CF₃COO^- 등의 불소 함유물 이온이나, NO₃ ^-, CH₃COO^-, C₆H₁₁COO^-, CH₃OSO₃ ^-, CH₃OSO₂ ^-, CH₃SO₃ ^-, CH₃SO₂ ^-, (CH₃O)₂PO₂ ^-, N(CN)₂ ^- 혹은 SCN^- 등의 비불소 화합물 이온이나, 요오드화물 이온 혹은 브롬화물 이온 등의 할로겐화물 이온을 들 수 있다. 이들은 각각을 단독으로 이용하거나 복수 조합하여 사용해도 된다. 이들 중에서도, 이온성 액체의 아니온으로는 요오드화물 이온이 바람직하다.

전해질 (31) 은, 상기한 레독스 전해질을 용매에 대하여 용해, 분산 혹은 현탁시킨 액상의 전해질 (전해액) 이어도 되고, 상기한 레독스 전해질을 고분자 물질 중에 유지시킨 고체 고분자 전해질이어도 된다. 또, 레독스 전해질과 카본 블랙 등의 입자상의 도전성 탄소 재료를 함유하는 슈도 (pseudo) 고체상 (페이스트상) 의 전해질이어도 된다. 여기서, 본 명세서에 있어서 「슈도 고체」란, 고체 외에, 유동성은 거의 관찰되지 않지만 응력의 인가에 의해 변형 가능한 겔상 고형물 혹은 점토상 고형물을 포함하는 개념을 의미하며, 구체적으로는, 정치 (靜置) 하여 일정 시간을 방치한 후에, 자중에 의한 형상 변화가 없거나 또는 그 형상 변화가 미약한 것을 의미한다. 또한, 도전성 탄소 재료를 함유하는 슈도 고체상의 전해질에서는, 도전성 탄소 재료가 산화 환원 반응을 촉매하는 기능을 갖기 때문에, 전해질 중에 할로겐 단체를 함유하지 않아도 된다.

전해질 (31) 은, 상기한 할로겐화물염이나 이온성 액체 등을 용해, 분산, 팽윤 또는 현탁시키는 유기 용매를 함유하고 있어도 된다. 유기 용매는, 전기 화학적으로 불활성이면 특별히 제한없이 사용할 수 있지만, 융점이 20 ℃ 이하, 또한 비점이 80 ℃ 이상인 것이 바람직하다. 융점 및 비점이 이 범위에 있는 것을 사용함으로써 내구성이 높아지는 경향이 있다. 또, 유기 용매는 점도가 높은 것이 바람직하다. 점도가 높음으로써 비점이 높아지기 때문에, 고온 환경하에 노출되어도 전해질 누출이 억제되는 경향이 있다. 또한, 유기 용매는 전기 전도율이 높은 것이 바람직하다. 전기 전도율이 높음으로써 높은 에너지 변환 효율이 얻어지는 경향이 있다.

유기 용매의 구체예로는, 예를 들어 헥산, 벤젠, 톨루엔, 퀴놀린, 디에틸에테르, 클로로포름, 아세트산에틸, 테트라히드로푸란, 염화메틸렌, 아세톤, 아세토니트릴, 메톡시아세토니트릴, 프로피오니트릴, 부티로니트릴, 벤조니트릴, 3-메톡시프로피오니트릴, 발레로니트릴, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸술폭시드, 술포란, 아세트산, 포름산, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1-부탄올, 펜탄올, 메틸에틸케톤, 디메틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 에틸렌글리콜모노알킬에테르, 프로필렌글리콜모노알킬에테르, 폴리에틸렌글리콜모노알킬에테르, 폴리프로필렌글리콜모노알킬에테르, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 글리세린, 디옥산, 1,4-디옥산, 에틸렌글리콜디알킬에테르, 프로필렌글리콜디알킬에테르, 폴리에틸렌글리콜디알킬에테르, 폴리프로필렌글리콜디알킬에테르, N-메틸피롤리돈, γ-부티로락톤, α-메틸-γ-부티로락톤, β-메틸-γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, 3-메틸-γ-발레로락톤 등을 들 수 있다. 이들 중에서도 유기 용매는, 관능기로서 니트릴기, 탄산에스테르 구조, 고리형 에스테르 구조, 락탐 구조, 아미드기, 알코올기, 술피닐기, 피리딘 고리, 고리형 에테르 구조 중 적어도 1 종을 갖는 것이 바람직하다. 이와 같은 관능기를 갖는 유기 용매는, 이들 관능기를 모두 함유하지 않는 것과 비교하여 높은 효과가 얻어지기 때문이다. 이와 같은 관능기를 갖는 유기 용매로는, 예를 들어 아세토니트릴, 프로필니트릴, 부티로니트릴, 메톡시아세토니트릴, 메톡시프로피오니트릴, 디메틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, N-메틸피롤리돈, 펜탄올, 퀴놀린, N,N-디메틸포름아미드, γ-부티로락톤, 디메틸술폭시드 혹은 1,4-디옥산 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 메톡시프로피오니트릴, 프로필렌카보네이트, N-메틸피롤리돈, 펜탄올, 퀴놀린, N,N-디메틸포름아미드, γ-부티로락톤, 디메틸술폭시드, 1,4-디옥산, 메톡시아세토니트릴 및 부티로니트릴을 들 수 있다. 또한, 이들 유기 용매는 각각을 단독으로 이용하거나 복수를 조합하여 사용해도 된다. 또, 유기 용매의 함유량은, 전해질 (31) 의 총량에 대하여 10 ∼ 80 wt％ 인 것이 바람직하다.

또한, 전해질 (31) 은, 요구 성능에 따라 각종 첨가제를 함유하고 있어도 된다. 첨가제는, 일반적으로 전지나 태양 전지 등에 있어서 사용되고 있는 것을 적절히 사용할 수 있다. 그 구체예로는, 예를 들어 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌비닐렌 및 그들의 유도체 등의 p 형 도전성 폴리머 ; 이미다졸륨 이온, 피리디늄 이온, 트리아졸륨 이온 및 그들의 유도체와 할로겐 이온의 조합으로 이루어지는 용융 염 ; 겔화제 ; 오일 겔화제 ; 분산제 ; 계면 활성제 ; 안정화제 등을 들 수 있지만, 이들에 특별히 한정되지 않는다.

전해질 (31) 을 작용 전극 (11) 과 대향 전극 (21) 사이에 배치하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 각종 공지된 수법을 이용하여 실시할 수 있다. 예를 들어, 작용 전극 (11) 의 색소 담지 금속 산화물 전극 (14) 과 대향 전극 (21) 의 도전성 표면 (22a) 을, 필요에 따라 스페이서를 개재시켜 소정의 간격을 두고 대향 배치하고, 미리 형성된 주입구를 제외하고 봉지제 등을 이용하여 주위를 첩합 (貼合) 한 후, 전체를 봉지한다. 계속해서, 작용 전극 (11) 과 대향 전극 (21) 사이에 전해질을 주입구로부터 주입하고, 그 후 주입구를 봉지함으로써 전해질 (31) 을 형성할 수 있다.

또한, 전해질 (31) 로서 고체 전하 이동 재료를 채용하는 경우, 전자 수송 재료나 정공 (홀) 수송 재료 등을 사용하는 것이 바람직하다.

정공 수송 재료로는, 예를 들어 방향족 아민류나 트리페닐렌 유도체류 등이 바람직하게 사용된다. 그 구체예로는, 예를 들어 올리고티오펜 화합물, 폴리피롤, 폴리아세틸렌 혹은 그 유도체, 폴리(p-페닐렌) 혹은 그 유도체, 폴리(p-페닐렌비닐렌) 혹은 그 유도체, 폴리티에닐렌비닐렌 혹은 그 유도체, 폴리티오펜 혹은 그 유도체, 폴리아닐린 혹은 그 유도체, 폴리톨루이딘 혹은 그 유도체 등의 유기 도전성 고분자 등을 들 수 있지만, 이들에 특별히 한정되지 않는다.

또, 정공 수송 재료로서, 예를 들어 p 형 무기 화합물 반도체를 사용할 수도 있다. 이 경우, 밴드 갭이 2 eV 이상인 p 형 무기 화합물 반도체를 사용하는 것이 바람직하고, 2.5 eV 이상인 p 형 무기 화합물 반도체인 것이 보다 바람직하다. 또, p 형 무기 화합물 반도체의 이온화 포텐셜은, 색소의 정공을 환원시킬 수 있는 조건으로부터, 작용 전극 (11) 의 이온화 포텐셜보다 작은 것이 필요하다. 사용하는 색소에 따라 p 형 무기 화합물 반도체의 이온화 포텐셜의 바람직한 범위는 달라지는데, 그 이온화 포텐셜은 4.5 eV 이상 5.5 eV 이하의 범위 내인 것이 바람직하고, 4.7 eV 이상 5.3 eV 이하의 범위 내인 것이 보다 바람직하다.

p 형 무기 화합물 반도체로는, 예를 들어 1 가의 구리를 함유하는 화합물 반도체 등이 바람직하게 사용된다. 1 가의 구리를 함유하는 화합물 반도체의 구체예로는, 예를 들어 CuI, CuSCN, CuInSe₂, Cu(In,Ga)Se₂, CuGaSe₂, Cu₂O, CuS, CuGaS₂, CuInS₂, CuAlSe₂, GaP, NiO, CoO, FeO, Bi₂O₃, MoO₂, Cr₂O₃ 등을 들 수 있지만, 이들에 특별히 한정되지 않는다.

고체 전하 이동 재료로 전해질 (31) 을 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 각종 공지된 수법을 이용하여 실시할 수 있다. 유기 도전성 고분자를 함유하는 정공 수송 재료를 사용하는 경우, 예를 들어 진공 증착법, 캐스트법, 도포법, 스핀 코트법, 침지법, 전해 중합법, 광 전해 중합법 등의 수법을 채용할 수 있다. 또, 무기 고체 화합물을 사용하는 경우, 예를 들어 캐스트법, 도포법, 스핀 코트법, 침지법, 전해 도금법 등의 수법을 채용할 수 있다.

그런데, 본 실시형태의 색소 증감형 태양 전지 (100) 는, 작용 전극 (11) 에 대하여 광 (태양광, 또는 태양광과 동등한 자외광, 가시광 혹은 근적외광) 이 조사되면, 그 광을 흡수하여 여기된 색소가 금속 산화물층 (13) 에 전자를 주입한다. 주입된 전자는, 인접한 도전성 표면 (12a) 으로 이동한 후 외부 회로를 경유하여 대향 전극 (21) 에 도달한다. 한편, 전해질 (31) 은, 전자의 이동에 수반하여 산화된 색소를 기저 상태로 되돌리도록 (환원시키도록) 산화된다. 이 산화된 전해질 (31) 이 상기의 전자를 수취함으로써 환원된다. 이와 같이, 작용 전극 (11) 과 대향 전극 (21) 사이에 있어서의 전자의 이동과, 이것에 수반되는 전해질 (31) 의 산화 환원 반응이 반복됨으로써, 연속적인 전자의 이동이 발생하여 정상적으로 광전 변환이 실시된다.

여기서, 본 실시형태의 색소 증감형 태양 전지 (100) 에 있어서는, 상기 서술한 일반식 (1) 에 나타내는 시아닌 구조를 갖는 화합물을 이용하므로, 종래의 것에 비해, 특히 근적외 영역에 있어서, 조사된 광량에 대한 색소로부터 금속 산화물층 (13) 으로의 전자 주입량의 비율이 높아지기 때문에, 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 금속 산화물층 (13) 이 실질적으로 산화아연으로 이루어지는 작용 전극 (11) 을 채용한 색소 증감형 태양 전지 (100) 에 있어서 에너지 변환 효율이 보다 더 높아진 것이 된다.

실시예

이하, 합성예, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

우선, 일반식 (1) 에 나타내는 시아닌 구조를 갖는 화합물로서, 화학식 (B1) ∼ (B3) 에 나타내는 구조를 갖는 시아닌 화합물 (요오드화물) 을 합성하였다.

(합성예 1)

하기의 화학 반응식 (Ⅰ-1) 에 나타내는 바와 같이, 인돌레늄염 I 0.46 m㏖, 아미딘염산염 0.22 m㏖, 무수 아세트산 4.4 m㏖, 트리에틸아민 0.51 m㏖ 및 아세토니트릴 3 g 을 주입하여, 85 ℃ 에서 3 시간 교반한 후, 요오드화나트륨을 첨가하였다. 이와 같이 하여 얻어진 반응 생성물을, 클로로포름 : 메탄올이 10 : 1 인 용출액을 이용하여 실리카겔 정제를 실시한 후에 감압 건조시킴으로써, 최종 생성물인 화학식 (B1) 에 나타내는 구조를 갖는 시아닌 화합물 8 ㎎ (수율 4 ％) 을 얻었다.

[화학식 27]

(합성예 2)

하기의 화학 반응식 (Ⅰ-2) 에 나타내는 바와 같이, 인돌레늄염 Ⅱ 2 m㏖, 아미딘염산염 1 m㏖, 무수 아세트산 2.4 m㏖, 트리에틸아민 4 m㏖ 및 아세토니트릴 4 g 을 주입하여, 실온에서 3 시간 교반한 후, 요오드화나트륨을 첨가하였다. 이와 같이 하여 얻어진 반응 생성물을, 클로로포름 : 메탄올이 10 : 1 인 용출액을 이용하여 실리카겔 정제를 실시한 후에 감압 건조시킴으로써, 최종 생성물인 화학식 (B2) 에 나타내는 구조를 갖는 시아닌 화합물 310 ㎎ (수율 27 ％) 을 얻었다.

[화학식 28]

(합성예 3)

하기의 화학 반응식 (Ⅰ-3) 에 나타내는 바와 같이, 인돌레늄염 Ⅲ 0.5 m㏖, 아미딘염산염 0.25 m㏖, 무수 아세트산 0.5 m㏖, 트리에틸아민 0.5 m㏖ 및 아세토니트릴 1.2 g 을 주입하여, 실온에서 5 시간 교반한 후, 요오드화나트륨을 첨가하였다. 이와 같이 하여 얻어진 반응 생성물을, 클로로포름 : 메탄올이 10 : 1 인 용출액을 이용하여 실리카겔 정제를 실시한 후에 감압 건조시킴으로써, 최종 생성물인 화학식 (B3) 에 나타내는 구조를 갖는 시아닌 화합물 8 ㎎ (수율 2 ％) 을 얻었다.

[화학식 29]

이들 합성예 1 ∼ 3 의 최종 생성물에 대하여 핵 자기 공명법 (nuclear magnetic resonance ; NMR) 에 의해 구조를 동정 (同定) 함과 함께, 최대 흡수 파장 (λmax) 을 측정하였다. 표 1 및 표 2 에 측정 결과를 나타낸다.

또한, NMR 측정할 때에는, 측정 기기로서 JOEL 사 제조의 Lambda-400 을 사용하였다. 이 때, 합성예 1 및 3 에서는, 중용매인 중수소화된 클로로포름 (CDCl₃) 1 ㎤ 에 대하여 최종 생성물 3 ∼ 10 ㎎ 을 용해시킨 용액을 측정 시료로 하여, 실온에서 ¹H-NMR 스펙트럼을 측정하였다. 또, 합성예 2 에서는, 중용매의 CDCl₃대신에 CD₃OD 를 사용한 것을 제외하고, 합성예 1 및 3 과 동일하게 하여 측정하였다.

또, 최대 흡수 파장 (λmax) 을 조사할 때에는, 히타치 제작소 제조의 UV 스펙트럼 미터 (U-3010) 를 사용하였다. 이 경우에는, 최종 생성물을 메탄올 (CH₃OH ; 용매) 에 대하여, 흡광도가 0.5 ∼ 1.0 의 범위 내가 되도록 조제하여 측정에 사용하였다.

표 1 및 표 2 에 나타내는 바와 같이, 합성예 1 ∼ 3 에서는, 각각 화학식 (B1) ∼ (B3) 에 나타내는 구조를 갖는 시아닌 화합물 (요오드화물) 이 합성된 것이 확인되었다.

다음으로, 이하의 순서에 따라 상기의 실시형태에서 설명한 색소 증감형 태양 전지 (100) 를 제작하였다.

(실시예 1)

색소로서 상기 서술한 합성예 1 의 화학식 (B1) 에 나타내는 구조를 갖는 시아닌 화합물을 이용하고, 이하의 순서에 따라 상기의 실시형태에서 설명한 색소 증감형 태양 전지 (100) 를 제작하였다.

우선, 이하의 순서로 작용 전극 (11) 을 제작하였다.

처음에, 도전성 표면 (12a) 을 갖는 기체 (12) 로서, 불소 도프한 SnO 를 투명 도전막으로 하는 세로 2.0 cm × 가로 1.5 cm × 두께 1.1 ㎜ 의 도전성 유리 기판 (F-SnO₂) 을 준비하였다. 계속해서, 그 도전성 표면 (12a) 상에 세로 0.5 cm × 가로 0.5 cm 의 사각형을 둘러싸도록 두께 70 ㎛ 의 마스킹 테이프를 붙이고, 이 부분에 금속 산화물 슬러리 3 ㎤ 를 일정한 두께가 되도록 도포하여 건조시켰다. 이 경우, 금속 산화물 슬러리로는, 10 중량％ 가 되도록 산화아연 분말 (평균 입경 20 ㎚ ; 사카이 화학 공업사 제조 FINEX-50) 을, 비이온성 계면활성제로서 Triton X-100 (Triton 은 등록 상표) 을 한 방울 첨가한 물에 현탁시켜 조제한 것을 사용하였다. 계속해서, 도전성 표면 (12a) 상의 마스킹 테이프를 벗겨 내고, 이 기체 (12) 를 전기로에 의해 450 ℃ 에서 소성하여, 금속 산화물층 (13) 으로서의 두께 약 5 ㎛ 의 산화아연막을 형성하였다. 이어서, 화학식 (B1) 에 나타내는 구조를 갖는 시아닌 화합물과 데옥시콜산을 각각 3 × 10^-4 ㏖/d㎥ 및 1 × 10^-2 ㏖/d㎥ 의 농도가 되도록 무수 에탄올에 용해시켜 색소 함유 용액을 조제하였다. 그리고, 이 색소 함유 용액 중에 금속 산화물층 (13) 이 형성된 기체 (12) 를 침지시키고, 화학식 (B1) 에 나타내는 구조를 갖는 시아닌 화합물을 금속 산화물층 (13) 에 담지시켜 색소 담지 금속 산화물 전극 (14) 을 형성함으로써 실시예 1 의 작용 전극 (11) 을 얻었다.

다음으로, 이하의 순서로 대향 전극 (21) 을 제작하였다.

우선, 도전성 표면 (22a) 을 갖는 기체 (22) 로서, 불소 도프한 SnO 를 투명 도전막으로 하는 세로 2.0 cm × 가로 1.5 cm × 두께 1.1 ㎜ 의 도전성 유리 기판 (F-SnO₂) 을 준비하였다. 계속해서, 그 도전성 표면 (22a) 상에 스퍼터링에 의해 두께 100 ㎚ 의 Pt 층을 형성함으로써 대향 전극 (21) 을 얻었다. 또한 이 경우, 도전성 표면 (22a) 을 갖는 기체 (22) 에는 전해액 주입용 구멍 (φ1 ㎜) 을 미리 2 개 형성해 두었다.

이어서, 아세토니트릴에 대하여 디메틸헥실이미다졸륨요오디드 (0.6 ㏖/d㎥), 요오드화리튬 (0.1 ㏖/d㎥), 요오드 (0.05 ㏖/d㎥) 를, 각각 소정의 농도가 되도록 혼합하여 전해액을 조제하였다.

그 후, 상기의 작용 전극 (11) 및 대향 전극 (21) 그리고 전해액을 이용하여, 이하의 순서로 색소 증감형 태양 전지 (100) 를 제작하였다.

우선, 두께 50 ㎛ 의 스페이서를 금속 산화물층 (13) 의 주위를 둘러싸도록 배치하고, 그 후, 작용 전극 (11) 의 색소 담지 금속 산화물 전극 (14) 과 대향 전극 (21) 의 Pt 층을 대향 배치하고, 스페이서를 개재하여 첩합하였다. 그 후, 대향 전극 (21) 에 형성해 둔 주입 구멍으로부터 전해액을 주입하여 전해질 (31) 을 형성하였다. 마지막으로, 셀의 주위 전체 및 주입 구멍을 봉지함으로써, 실시예 1 의 색소 증감형 태양 전지 (100) 를 얻었다.

(실시예 2)

색소로서 합성예 1 의 화학식 (B1) 에 나타내는 구조를 갖는 시아닌 화합물 대신에, 합성예 2 의 화학식 (B2) 에 나타내는 구조를 갖는 시아닌 화합물을 사용하는 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 처리하여 실시예 2 의 작용 전극 (11) 및 색소 증감형 태양 전지 (100) 를 얻었다.

(실시예 3)

색소로서 합성예 1 의 화학식 (B1) 에 나타내는 구조를 갖는 시아닌 화합물 대신에, 합성예 3 의 화학식 (B3) 에 나타내는 구조를 갖는 시아닌 화합물을 사용하는 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 처리하여 실시예 3 의 작용 전극 (11) 및 색소 증감형 태양 전지 (100) 를 얻었다.

(비교예 1 ∼ 4)

색소로서 합성예 1 의 화학식 (B1) 에 나타내는 구조를 갖는 시아닌 화합물 대신에, 하기의 색소 (C1) ∼ (C4) 를 각각 사용하는 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 처리하여 비교예 1 ∼ 4 의 작용 전극 (11) 및 색소 증감형 태양 전지 (100) 를 얻었다.

[화학식 30]

＜에너지 변환 효율의 측정＞

얻어진 실시예 1 ∼ 3 및 비교예 1 ∼ 4 의 색소 증감형 태양 전지 (100) 의 전지 특성을, AM-1.5 (1000 W/㎡) 의 솔라 시뮬레이터를 이용하여 측정하였다. 평가 결과를 표 1 에 나타낸다.

또한, 에너지 변환 효율 (η : ％) 은, 색소 증감형 태양 전지 (100) 의 전압을 소스 미터로 소인 (掃引) 하여 응답 전류를 측정하고, 이로써 얻어진 전압과 전류의 곱인 최대 출력을 1 ㎠ 당 광 강도로 나눈 값을 산출하고, 이 산출 결과에 100 을 곱하여 퍼센트 표시한 것이다. 즉, 에너지 변환 효율 (η : ％) 은, (최대 출력/1 ㎠ 당 광 강도) × 100 으로 나타낸다.

＜박리 시험＞

색소의 흡착성 (밀착성) 을 평가하기 위해서 박리 시험을 실시하였다. 평가 결과를 표 1 에 나타낸다.

또한, 박리 시험은 이하의 순서에 따라 실시하였다. 우선, UV 스펙트럼 미터에 의해, 각각의 작용 전극 (11) 의 색소 담지 금속 산화물층 (14) 의 표면의 흡수 스펙트럼 (측정 파장은 350 ㎚ ∼ 950 ㎚ 의 범위) 을 측정하여, 피크 파장에 있어서의 초기 흡광도를 구하였다. 다음으로, 작용 전극 (11) 을 10 중량％ 의 비율로 물을 함유하는 아세토니트릴 혼합액 100 ㎤ 에 2 시간 침지시킨 후, 동일하게 흡수 스펙트럼을 측정하여, 피크 파장에 있어서의 10 중량％ 물 함유 아세토니트릴 2 시간 침지 후의 흡광도를 구하였다. 마지막으로, 피크 파장에 있어서의 초기 흡광도와 10 중량％ 물 함유 아세토니트릴 2 시간 침지 후의 흡광도로부터, 색소 잔존율 (％) = (10 중량％ 물 함유 아세토니트릴 2 시간 침지 후의 흡광도/초기 흡광도) × 100 을 산출하였다. 또한, 이 일련의 흡수 스펙트럼의 측정에는 시마즈 제작소 제조 UV-3101PC 를 이용하고, 슬릿 폭 5 ㎚ 로 하여 실시하였다.

표 1 로부터 분명한 바와 같이, 합성예 1 ∼ 3 의 시아닌식 화합물을 사용한 실시예 1 ∼ 3 의 색소 증감형 태양 전지 (100) 는, 비교예 1 ∼ 4 의 색소 증감형 태양 전지 (100) 에 비해 에너지 변환 효율이 우수함이 확인되었다.

또, 실시예 1 ∼ 3 의 작용 전극 (11) 은, 비교예 1 ∼ 3 의 작용 전극 (11) 에 비해 색소 잔존율이 높고 에너지 변환 효율도 우수한 경향이 있음이 확인되었다. 이 점으로부터, 헵타메틴 사슬 골격에 시클로 고리 등이 도입되어 있지 않는 합성예 1 ∼ 3 의 시아닌식 화합물은, 헵타메틴 사슬 골격에 시클로 고리 등이 도입된 (C1) ∼ (C3) 의 시아닌식 화합물에 비해 앵커기 근방의 입체 장해가 완화되고, 인돌레닌 골격의 질소 원자에 도입된 -CH₂CH₂COOH 기의 금속 산화물층으로의 흡착이 촉진되어, 그 밀착성이 높아짐과 함께, 금속 산화물 반도체 재료에 대한 전자 주입이 높아지고 있음이 시사된다. 또한 비교예 4 는 색소 잔존율은 높지만, 에너지 변환 효율이 낮다. 실시예 1 ∼ 3 의 색소 증감형 태양 전지 (100) 는 R1 ∼ R4 가 탄소수 10 ∼ 20 의 직사슬형 알킬기임으로써 에너지 변환 효율이 우수함이 시사된다.

(실시예 4 ∼ 6 및 비교예 5 ∼ 8)

소성법에 의해 금속 산화물층 (13) 을 형성할 때, 산화아연 분말 대신에 산화티탄 (TiO₂) 분말을 함유하는 금속 산화물 슬러리를 각각 사용하는 것 이외에는, 실시예 1 ∼ 3 및 비교예 1 ∼ 4 와 동일하게 처리하여, 실시예 4 ∼ 6 및 비교예 5 ∼ 8 의 작용 전극 (11) 및 색소 증감형 태양 전지 (100) 를 얻었다.

또한, 상기의 산화티탄 분말을 함유하는 금속 산화물 슬러리로는, 이하와 같이 조제한 것을 사용하였다. 우선, 티탄이소프로폭시드 125 ㎤ 를 0.1 ㏖/d㎥ 질산 수용액 750 ㎤ 에 교반하면서 첨가하고, 80 ℃ 에서 8 시간 격렬하게 교반하였다. 얻어진 액체를 테플론 (등록 상표) 제의 압력 용기에 부어 넣고, 그 압력 용기를 230 ℃, 16 시간 오토클레이브에서 처리하였다. 그 후, 오토클레이브 처리한 침전물을 함유하는 액체 (졸액) 를 교반함으로써 재현탁시켰다. 계속해서, 이 현탁액을 흡인 여과하여 재현탁되지 않은 침전물을 제외하고, 졸상의 여과액을 이바포레이터로 산화티탄 농도가 11 질량％ 가 될 때까지 농축시켰다. 이 후, 농축액에 기판에 대한 도포성을 높이기 위해 Triton X-100 을 한 방울 첨가하였다. 계속해서, 평균 입경 30 ㎚ 의 산화티탄 분말 (닛폰 아에로질사 제조 P-25) 을 이 졸상의 농축액에, 산화티탄의 함유율이 전체로서 33 질량％ 가 되도록 첨가하고, 자전 공전을 이용한 원심 교반을 1 시간 실시하여 분산시켰다.

얻어진 실시예 4 ∼ 6 및 비교예 5 ∼ 8 의 색소 증감형 태양 전지 (100) 의 에너지 변환 효율 및 색소 잔존율을 동일한 수법으로 측정하였다. 평가 결과를 표 2 에 나타낸다.

표 2 로부터 분명한 바와 같이, 합성예 1 ∼ 3 의 시아닌식 화합물을 사용한 실시예 4 ∼ 6 의 색소 증감형 태양 전지 (100) 는, 비교예 5 ∼ 8 의 색소 증감형 태양 전지 (100) 에 비해 에너지 변환 효율이 우수함이 확인되었다.

또, 실시예 4 ∼ 6 의 작용 전극 (11) 은, 비교예 5 ∼ 8 의 작용 전극 (11) 에 비해 색소 잔존율이 높고 에너지 변환 효율도 우수한 경향이 있음이 확인되었다. 이 점으로부터, 헵타메틴 사슬 골격에 시클로 고리 등이 도입되어 있지 않은 합성예 1 ∼ 3 의 시아닌식 화합물은, 헵타메틴 사슬 골격에 시클로 고리 등이 도입된 (C1) ∼ (C3) 의 시아닌식 화합물에 비해 앵커기 근방의 입체 장해가 완화되고, 인돌레닌 골격의 질소 원자에 도입된 -CH₂CH₂COOH 기의 금속 산화물층으로의 흡착이 촉진되어, 그 밀착성이 높아짐과 함께, 금속 산화물 반도체 재료에 대한 전자 주입이 높아지고 있음이 시사된다. 또한 비교예 8 은 색소 잔존율은 높지만, 에너지 변환 효율이 낮다. 실시예 4 ∼ 6 의 색소 증감형 태양 전지 (100) 는 R1 ∼ R4 가 탄소수 10 ∼ 20 의 직사슬형 알킬기임으로써 에너지 변환 효율이 우수함이 시사된다.

또한, 실시예 1 ∼ 3 과 실시예 4 ∼ 6 의 비교로부터, 실질적으로 산화아연으로 이루어지는 금속 산화물층 (13) 을 갖는 실시예 1 ∼ 3 의 색소 증감형 태양 전지 (100) 는, 실질적으로 산화티탄으로 이루어지는 금속 산화물층 (13) 을 갖는 실시예 4 ∼ 6 의 색소 증감형 태양 전지 (100) 에 비해 색소 잔존율은 동일한 정도인 한편, 에너지 변환 효율이 유의하게 우수함이 확인되었다.

(참고예 1 및 2)

색소로서 합성예 1 의 화학식 (B1) 에 나타내는 구조를 갖는 시아닌 화합물 대신에, 하기의 색소 (화합물 D1 및 화합물 D2) 를 각각 사용하는 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 하여 참고예 1 및 2 의 작용 전극 (11) 을 얻었다.

[화학식 31]

[화학식 32]

＜CIE Yxy 표색계의 색도 좌표 (x, y) 의 측정＞

화학식 (B1) ∼ (B3) 에 나타내는 구조를 갖는 시아닌 화합물 (요오드화물) 을 사용한 실시예 1 ∼ 3 그리고 참고예 1 및 2 의 작용 전극 (11) 의 CIE Yxy 표색계의 색도 좌표 (x, y) 를, 이하의 순서로 측정하였다. 측정 결과를 표 5 에 나타낸다.

또한, CIE Yxy 표색계의 색도 좌표 (x, y) 는, 이하의 순서에 따라 실시하였다. 우선, UV 스펙트럼 미터에 의해, 작용 전극 (11) 의 색소 담지 금속 산화물층 (14) 의 표면의 흡수 스펙트럼 (측정 파장은 350 ㎚ ∼ 850 ㎚ 의 범위) 을 측정하였다. 이어서, CIE Yxy 표색계의 색도 좌표 (x, y) 를 니혼 분광 제조 V-570 의 컬러 진단 프로그램에 의해 계산하였다.

표 5 으로부터 분명한 바와 같이, 합성예 1 ∼ 3 의 시아닌식 화합물을 사용한 실시예 1 ∼ 3 의 작용 전극 (11) 은 모두 약간의 엷은 녹색을 띠며, 육안 관찰에서는 거의 무색임이 확인되었다.

또한, 상기 서술한 바와 같이, 본 발명은 상기 실시형태 및 실시예에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 적절히 변경을 추가할 수 있다.

산업상 이용가능성

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 색소 증감형 태양 전지 등의 광전 변환 소자에 관련되는 전자·전기 재료, 전자·전기 디바이스, 및 그것들을 구비한 각종 기기, 설비, 시스템 등에 널리 또한 유효하게 이용할 수 있다.

11…작용 전극
12…기체
12a…도전성 표면
13…금속 산화물층
14…색소 담지 금속 산화물 전극
21…대향 전극
22a…도전성 표면
22…기체
31…전해질
41…스페이서
100…광전 변환 소자

Claims

색소가 금속 산화물층에 담지된 색소 담지 금속 산화물 전극을 갖는 작용 전극을 구비하는 광전 변환 소자에 있어서,
상기 색소로서, 하기 일반식 (1) :
[화학식 1]

(식 (1) 중, R1 ∼ R4 는, 각각 독립적으로 탄소수가 4 ∼ 20 인 직사슬형 알킬기로, 각각이 동일하거나 상이해도 되며, A1 및 A2 는, 하기 방향 고리군 A (피롤 고리와의 축합 위치를 나타내기 위해 식 (1) 중의 피롤 고리를 원호 a 로 나타냈다) 에서 선택되는 어느 1 종으로, 각각이 동일하거나 상이해도 되며, 이들은 방향 고리에 치환기를 가져도 된다. An^p- 는 p 가의 아니온으로, p 는 1 혹은 2 이며, q 는 색소 전체의 전하를 중성으로 유지하는 계수이다.
＜방향 고리군 A＞
[화학식 2]

로 나타내는 구조를 갖는 화합물을 함유하는, 광전 변환 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 일반식 (1) 에 있어서, A1 및 A2 가 벤젠 고리인, 광전 변환 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 일반식 (1) 에 있어서, R1 ∼ R4 가 탄소수 10 ∼ 20 의 직사슬형 알킬기인, 광전 변환 소자.
제 2 항에 있어서,
상기 일반식 (1) 에 있어서, R1 ∼ R4 가 탄소수 10 ∼ 20 의 직사슬형 알킬기인, 광전 변환 소자.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 산화물층은 실질적으로 산화아연으로 이루어지는, 광전 변환 소자.
하기 일반식 (1) :
[화학식 3]

(식 (1) 중, R1 ∼ R4 는, 각각 독립적으로 탄소수가 4 ∼ 20 인 직사슬형 알킬기로, 각각이 동일하거나 상이해도 되며, A1 및 A2 는, 하기 방향 고리군 A (피롤 고리와의 축합 위치를 나타내기 위해 식 (1) 중의 피롤 고리를 원호 a 로 나타냈다) 에서 선택되는 어느 1 종으로, 각각이 동일하거나 상이해도 되며, 이들은 방향 고리에 치환기를 가져도 된다. An^p- 는 p 가의 아니온으로, p 는 1 혹은 2 이며, q 는 색소 전체의 전하를 중성으로 유지하는 계수이다.
＜방향 고리군 A＞
[화학식 4]

로 나타내는 구조를 갖는, 광전 변환 소자용 색소.
제 6 항에 있어서,
상기 일반식 (1) 에 있어서, A1 및 A2 가 벤젠 고리인, 광전 변환 소자용 색소.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 일반식 (1) 에 있어서, R1 ∼ R4 가 탄소수 10 ∼ 20 의 직사슬형 알킬기인, 광전 변환 소자용 색소.