KR20120068551A - 유기금속 화합물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 - Google Patents
유기금속 화합물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20120068551A KR20120068551A KR1020100130225A KR20100130225A KR20120068551A KR 20120068551 A KR20120068551 A KR 20120068551A KR 1020100130225 A KR1020100130225 A KR 1020100130225A KR 20100130225 A KR20100130225 A KR 20100130225A KR 20120068551 A KR20120068551 A KR 20120068551A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- formula
- dye
- compound
- sensitized solar
- same
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 5
- 150000002902 organometallic compounds Chemical class 0.000 title description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 48
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical group [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- SOIFLUNRINLCBN-UHFFFAOYSA-N ammonium thiocyanate Chemical compound [NH4+].[S-]C#N SOIFLUNRINLCBN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims abstract description 6
- 125000000896 monocarboxylic acid group Chemical group 0.000 claims abstract 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 125000001997 phenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 claims description 7
- 125000003837 (C1-C20) alkyl group Chemical group 0.000 claims description 6
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 7
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 2
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 abstract 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 27
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 15
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 8
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 8
- XELZGAJCZANUQH-UHFFFAOYSA-N methyl 1-acetylthieno[3,2-c]pyrazole-5-carboxylate Chemical compound CC(=O)N1N=CC2=C1C=C(C(=O)OC)S2 XELZGAJCZANUQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 6
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 6
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 6
- 230000008635 plant growth Effects 0.000 description 6
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 5
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 4
- 239000003480 eluent Substances 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 3
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- ROFVEXUMMXZLPA-UHFFFAOYSA-N Bipyridyl Chemical compound N1=CC=CC=C1C1=CC=CC=N1 ROFVEXUMMXZLPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- -1 C1-C20 alkyloxy Chemical group 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000029553 photosynthesis Effects 0.000 description 2
- 238000010672 photosynthesis Methods 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M tetramethylammonium hydroxide Chemical compound [OH-].C[N+](C)(C)C WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- VPNMTSAIINVZTK-UHFFFAOYSA-N 1-ethenyl-3-methylimidazol-3-ium Chemical compound C[N+]=1C=CN(C=C)C=1 VPNMTSAIINVZTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LTNAYKNIZNSHQA-UHFFFAOYSA-L 2-(4-carboxypyridin-2-yl)pyridine-4-carboxylic acid;ruthenium(2+);dithiocyanate Chemical compound N#CS[Ru]SC#N.OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C(O)=O)=C1.OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C(O)=O)=C1 LTNAYKNIZNSHQA-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- OOWFYDWAMOKVSF-UHFFFAOYSA-N 3-methoxypropanenitrile Chemical compound COCCC#N OOWFYDWAMOKVSF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MKYBYDHXWVHEJW-UHFFFAOYSA-N N-[1-oxo-1-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)propan-2-yl]-2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound O=C(C(C)NC(=O)C=1C=NC(=NC=1)NCC1=CC(=CC=C1)OC(F)(F)F)N1CC2=C(CC1)NN=N2 MKYBYDHXWVHEJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 125000003545 alkoxy group Chemical group 0.000 description 1
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000005037 alkyl phenyl group Chemical group 0.000 description 1
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- NDKBVBUGCNGSJJ-UHFFFAOYSA-M benzyltrimethylammonium hydroxide Chemical compound [OH-].C[N+](C)(C)CC1=CC=CC=C1 NDKBVBUGCNGSJJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-M iodide Chemical compound [I-] XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 1
- 239000003446 ligand Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 description 1
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010979 pH adjustment Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 125000003884 phenylalkyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000004424 polypyridyl Polymers 0.000 description 1
- 238000000425 proton nuclear magnetic resonance spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- DFQPZDGUFQJANM-UHFFFAOYSA-M tetrabutylphosphanium;hydroxide Chemical compound [OH-].CCCC[P+](CCCC)(CCCC)CCCC DFQPZDGUFQJANM-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
- HADKRTWCOYPCPH-UHFFFAOYSA-M trimethylphenylammonium hydroxide Chemical compound [OH-].C[N+](C)(C)C1=CC=CC=C1 HADKRTWCOYPCPH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 235000013311 vegetables Nutrition 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07F—ACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
- C07F15/00—Compounds containing elements of Groups 8, 9, 10 or 18 of the Periodic Table
- C07F15/0006—Compounds containing elements of Groups 8, 9, 10 or 18 of the Periodic Table compounds of the platinum group
- C07F15/0046—Ruthenium compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
- C07D213/00—Heterocyclic compounds containing six-membered rings, not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom and three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
- C07D213/02—Heterocyclic compounds containing six-membered rings, not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom and three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
- C07D213/04—Heterocyclic compounds containing six-membered rings, not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom and three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having no bond between the ring nitrogen atom and a non-ring member or having only hydrogen or carbon atoms directly attached to the ring nitrogen atom
- C07D213/06—Heterocyclic compounds containing six-membered rings, not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom and three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having no bond between the ring nitrogen atom and a non-ring member or having only hydrogen or carbon atoms directly attached to the ring nitrogen atom containing only hydrogen and carbon atoms in addition to the ring nitrogen atom
- C07D213/22—Heterocyclic compounds containing six-membered rings, not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom and three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having no bond between the ring nitrogen atom and a non-ring member or having only hydrogen or carbon atoms directly attached to the ring nitrogen atom containing only hydrogen and carbon atoms in addition to the ring nitrogen atom containing two or more pyridine rings directly linked together, e.g. bipyridyl
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09B—ORGANIC DYES OR CLOSELY-RELATED COMPOUNDS FOR PRODUCING DYES, e.g. PIGMENTS; MORDANTS; LAKES
- C09B57/00—Other synthetic dyes of known constitution
- C09B57/10—Metal complexes of organic compounds not being dyes in uncomplexed form
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F10/00—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
Abstract
본 발명은 적정 비율의 적색광과 청색광을 투과하는 유기금속 화합물, 이의 제조방법 및 이를 염료로 사용하는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
Description
본 발명은 적정 비율의 적색광과 청색광을 투과하는 유기금속 화합물, 이의 제조방법 및 이를 염료로 사용하는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
염료 감응 태양전지(dye-sensitized solar cell, DSSC)는 반도체 접합 태양전지와는 달리 광합성 원리를 이용한 고효율의 광전기화학적 태양전지이다. 1991년에 스위스 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀은 염료감응 나노입자 산화물 광전기화학 태양전지가 에너지 변환효율면에서 비정질 실리콘 태양전지에 버금가는 높은 에너지 변환 효율과 함께 매우 저렴한 제조단가로 인해 기존의 비정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있음을 보고하였으며, 이에 따라 염료감응 태양전지에 대해 연구계 및 산업계의 관심이 집중되고 있다.
지금까지 알려진 염료감응 태양전지 중 대표적인 예는 미국 특허 제 4,927,721호와 제5,350,644호에 기재된 바와 같이, 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 염료감응 태양전지이다. 일반적으로 그라첼 등에 의한 염료감응 태양전지는 염료 분자가 입혀진 이산화티탄(TiO2) 나노입자로 구성된 반도체 전극, 백금 전극, 이들 사이에 채워진 전해질 용액으로 구성된다.
미국특허 제5,350,644호에 따르면, Ru(II)-polypyridyl 화합물을 연결시킨 Ru(dcb)(bpy)2 2+가 염료감응형 태양전지의 주요 염료로 사용된다. 미국특허 제6,350,946호, 제6,291,763호, 제6,310,262 등과 일본특허공개 제2000-294306호는 Ru, Os, Cu, Zn 등의 전이 금속에 질소를 포함하는 다양한 리간드를 포함하는 염료를 개시하고 있다. 상기 염료들 중에서 나노입자 염료감응 태양전지의 루테늄(Ru)계 염료로 붉은 주홍색과 진한 청색을 나타내는 N719, N3 등의 화합물들이 고효율의 염료감응 태양전지의 염료로 널리 사용되고 있다. 그러나, 이러한 N719와 N3 염료는 식물의 생육에 필요한 특정 파장의 투과율이 낮기 때문에 식물 재배를 위한 온실형 염료감응 태양전지와 같은 새로운 응용성 확대를 위해서는 문제점들이 있다. 이에, 온실형 염료감응 태양전지의 상용화 및 새로운 응용성 확대를 위하여 다양한 염료의 개발이 매우 중요하다.
예를 들어, 식물이 생육을 하기 위해서는 광합성을 해야 하는데, 이를 위해서는 적색광(660 nm)과 청색광(440 nm)이 필요하다. 엽채류 식물을 재배하기 위해서는 적색광과 청색광의 비율이 8:2 또는 9:1인 경우가 광 조건으로서 가장 적합하다. 적색광만 조사하게 되면 식물체가 도장하거나 연약해지고, 청색광만 조사하게 되면 길이생장에 부정적인 영향을 미치므로 적색광과 청색광을 적절히 혼합하여 조화를 이루는 것이 중요하다. 따라서 염료감응 태양전지를 식물재배를 위한 온실 등에 응용하기 위해서는 적절한 비율의 적색광과 청색광을 투과하는 염료의 개발이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 적정 비율의 적색광과 청색광을 투과하는 유기금속 화합물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기의 유기금속 화합물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기의 유기금속 화합물을 염료로 사용하는 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제공한다:
상기 식에서,
Ru는 루테늄이고;
NCS는 암모늄 티오시아네이트(ammonium thiocyanate)이며;
R2 는 COOH 또는 CO2 -R5 +(X3)(Y3)3이며;
R3은 COOH 또는 CO2 -R6 +(X4)(Y4)3이며;
R1, R4, R5 및 R6는 각각 독립적으로 질소(N) 또는 인(P)이며;
X1, X2, X3, X4, Y1, Y2, Y3 및 Y4는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알킬, 치환 또는 비치환된 페닐, 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알킬페닐, 또는 치환 또는 비치환된 C1-C20의 페닐알킬이다.
상기 화학식 1의 화합물은 하기 화학식 1a의 화합물 또는 하기 화학식 1b의 화합물일 수 있다:
<화학식 1a>
<화학식 1b>
상기 식에서, Ru, NCS, R1, R4, R5, R6, X1, X2, X3, X4, Y1, Y2, Y3, Y4는 상술한 바와 같다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하기 화학식 10의 화합물을 아르곤 분위기하에 하기 화학식 11 내지 14의 화합물과 반응시키는 단계를 포함하는, 상술한 화학식 1a의 화합물의 제조방법을 제공한다:
<화학식 11>
(Y1)3(X1)R1 +OH-
<화학식 12>
(Y2)3(X2)R4 +OH-
<화학식 13>
(Y3)3(X3)R5 +OH-
<화학식 14>
(Y4)3(X4)R6 +OH-
상기 식에서, Ru, NCS, R1, R4, R5, R6, X1, X2, X3, X4, Y1, Y2, Y3, Y4는 상술한 바와 같다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 또한 하기 화학식 10의 화합물을 아르곤 분위기하에 하기 화학식 11 및 12의 화합물을 반응시키는 단계를 포함하는, 상술한 화학식 1b의 화합물의 제조방법을 제공한다:
<화학식 10>
<화학식 11>
(Y1)3(X1)R1 +OH-
<화학식 12>
(Y2)3(X2)R4 +OH-
상기 식에서, Ru, NCS, R1, R4, X1, X2, Y1, Y2는 상술한 바와 같다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상술한 화학식 1의 화합물을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
본 발명의 유기금속 화합물은 종래의 유기 금속 염료(N719 와 N3) 및 유기 염료보다 식물 성장에 필요한 파장 영역의 빛, 즉, 적정 비율의 적색광과 청색광을 투과함으로써, 식물성장에 악영향을 미치지 않으면서 더욱 좋은 품질의 식물을 재배할 수 있다. 또한 식물 성장에 불필요한 파장의 빛을 흡수하여 전기 에너지를 생산하고, 이렇게 생산된 전기 에너지를 난방비와 냉방비가 많이 소요되는 식물에 적절히 사용할 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 화합물을 염료로 사용하는 염료감응 태양전지는 안정하면서도 높은 광전변환 효율을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 합성예 1-4에서 제조한 화합물들에 대한 청색광(440 nm)에서의 UV 흡광도를 보여주는 그래프이다.
도 3은 합성예 1-4에서 제조한 화합물들에 대한 적색광(660 nm)에서의 UV 흡광도를 보여주는 그래프이다.
도 2는 합성예 1-4에서 제조한 화합물들에 대한 청색광(440 nm)에서의 UV 흡광도를 보여주는 그래프이다.
도 3은 합성예 1-4에서 제조한 화합물들에 대한 적색광(660 nm)에서의 UV 흡광도를 보여주는 그래프이다.
일반적으로, 염료감응 태양전지용 염료는 이산화티탄 나노입자에 흡착되고 흡착된 염료가 빛을 흡수하여 들뜬 상태에서 전자를 이산화티탄의 전도대에 주입한다. 주입된 전자는 이산화티탄 박막을 통과하여 외부에 전기를 발생시키고 돌아온 전자는 백금 전극을 통하여 전해질의 산화/환원 작용에 의하여 이산화티탄에 전자를 주입한 산화된 염료로 돌아와 작동이 완성되는 메커니즘으로 진행된다. 이때, 염료의 종류에 따라 투과 스펙트럼이 다르다. 본 발명의 화학식 1의 화합물은 바이피리딘의 카르복실기에 치환된 독특한 작용기로 인해 적정 비율의 적색광과 청색광을 투과할 수 있으며, 식물성장에 악영향을 미치지 않으면서 식물을 매우 효율적으로 재배할 수 있다.
상기 화학식 1의 화합물에서, Ru는 루테늄이고; NCS는 암모늄 티오시아네이트이며; R2 는 COOH 또는 CO2 -R5 +(X3)(Y3)3이며; R3은 COOH 또는 CO2 -R6 +(X4)(Y4)3이며; R1, R4, R5 및 R6는 각각 독립적으로 질소(N) 또는 인(P)이며; X1, X2, X3, X4, Y1, Y2, Y3 및 Y4는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알킬, 치환 또는 비치환된 페닐, 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알킬페닐, 또는 치환 또는 비치환된 C1-C20의 페닐알킬이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 화학식 1의 화합물은 하기 화학식 1a의 화합물일 수 있다.
<화학식 1a>
상기 식에서,
Ru는 루테늄이고;
NCS는 암모늄 티오시아네이트이며;
R1, R4, R5 및 R6는 각각 독립적으로 질소(N) 또는 인(P)이며;
X1, X2, X3, X4, Y1, Y2, Y3 및 Y4는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알킬, 치환 또는 비치환된 페닐, 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알킬페닐, 또는 치환 또는 비치환된 C1-C20의 페닐알킬이다.
더욱 바람직하게는, 화학식 1a의 화합물에서 R1, R4, R5 및 R6는 동일하고, X1, X2, X3 및 X4는 동일하며, Y1, Y2, Y3 및 Y4는 동일할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 화학식 1의 화합물은 하기 화학식 1b의 화합물일 수 있다.
<화학식 1b>
상기 식에서,
Ru는 루테늄이고;
NCS는 암모늄 티오시아네이트이며;
R1 및 R4는 각각 독립적으로 질소(N) 또는 인(P)이며;
X1, X2, Y1 및 Y2는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알킬, 치환 또는 비치환된 페닐, 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알킬페닐, 또는 치환 또는 비치환된 C1-C20의 페닐알킬이다.
더욱 바람직하게는, 화학식 1b의 화합물에서 R1 및 R4는 동일하고, X1 및 X2는 동일하며, Y1 및 Y2는 동일할 수 있다.
아래 화합물들은 본 발명의 화학식 1로 표시되는 화합물의 대표적인 예들이나, 본 발명의 화학식 1로 표시되는 화합물이 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 화학식 1a의 화합물은 하기 화학식 10의 화합물(N3 염료)과 화학식 11-14의 화합물을 아르곤 분위기하에 20 내지 25℃에서 0.5 내지 2.5 시간 동안 교반한 후 반응이 종결되면 Sephadex LH-20 컬럼을 통해 3회 정제하여 순수하게 제조될 수 있고, 화학식 1b의 화합물은 아르곤 분위기하에 하기 화학식 10의 화합물과 화학식 11-14의 화합물을 20 내지 25℃에서 0.5 내지 2.5 시간 동안 교반한 후 반응이 종결되면 Sephadex LH-20 컬럼을 통해 2회 정제하여 순수하게 얻은 후 pH를 5.9에 맞추고 다시 Sephadex LH-20 컬럼을 통해 2회 정제하여 제조될 수 있다.
<화학식 10>
<화학식 11>
(Y1)3(X1)R1 +OH-
<화학식 12>
(Y2)3(X2)R4 +OH-
<화학식 13>
(Y3)3(X3)R5 +OH-
<화학식 14>
(Y4)3(X4)R6 +OH-
본 발명에서, 비치환된 알킬, 알킬옥시, 페닐, 알킬페닐 및 페닐알킬은 C1-C20의 알킬, C1-C20의 알킬옥시, 페닐, C1-C20의 알킬페닐, C1-C20의 알킬옥시페닐, C1-C20의 페닐알킬 등으로 치환될 수 있지만 이들에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 또한 상술한 화학식 1의 화합물을 염료로 포함한 염료감응 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 개략적인 구조가 도 1에 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지는 제1 기판(110), 반도체 전극(120), 염료(130), 대향 전극(140), 제2 기판(150), 전해질 용액(160) 및 고분자층(170)을 포함한다.
상기 제1 기판(110)은 전도성 유리로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 유리(glass)기판 위에 ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide)가 코팅된 형태일 수 있다. 제1 기판(110)과 반도체 전극(120) 사이에는 TiCl4 층이 형성될 수 있다.
상기 반도체 전극(120)은 제1 기판(110) 상에 형성되며, 금속산화물 나노입자를 포함한다. 반도체 전극(120)은 5 내지 15 ㎛ 두께로 형성될 수 있다. 상기 금속산화물 나노입자는 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO) 등을 포함하며, 5 내지 30 nm 의 입경을 가질 수 있다.
상기 염료(130)는 금속산화물 나노입자에 흡착되어 있으며, 본 발명의 화학식 1의 화합물을 포함한다.
상기 제2 기판(150)은 제1 기판(110)과 마찬가지로 전도성 유리 기판, 바람직하게는, ITO 또는 FTO가 코팅되어 있는 유리 기판일 수 있다.
상기 대향 전극(140)은 제2 기판(150) 상에 형성되며, 바람직하게는 백금(Pt)을 포함한다. 상기 대향 전극(140)은 반도체 전극(120)과 대향되도록 배치된다.
상기 전해질 용액(160)은 반도체 전극(120)과 대향 전극(140) 사이의 공간을 채우는 용액으로서, 1-vinyl-3-methyl-imidazolium iodide와 I2을 3-methoxy propionitrile에 용해시킨 I3 -/I-의 전해질 용액임이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 작동원리를 설명하면 다음과 같다.
제1 기판(110)을 투과한 태양 빛이 반도체 전극(120)의 금속산화물 나노입자에 흡착된 염료분자(130)에 의해 흡수되면, 여기 상태로 들뜨게 된 염료 분자는 전자를 금속산화물 나노입자의 전도대로 주입한다. 금속산화물 나노입자로 주입된 전자는 입자간 계면을 통하여 제1 기판(110)에 전달되고 외부 전선을 통하여 대향 전극(140)으로 이동된다.
전자 전이의 결과로 산화된 염료 분자는 전해질 용액(160) 내의 요오드 이온의 산화 환원 작용(3I-→I3 -+2e-)에 의하여 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며, 산화된 요오드 이온(I3 -)은 대향 전극(140)에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 염료감응 태양전지의 작동과정이 완성된다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<염료의 합성>
모든 반응은 아르곤 분위기에서 진행되었고, 시약(reagents)은 시그마-알드리치(Sigma-Adrich)사에서 구입한 것들을 사용하였다. 1H NMR 스펙트럼은 Varian Mercury 300 스펙트로미터로 측정하였고, 흡광 및 발광 스펙트럼은 각각 Perkin-Elmer Lambda 2S UV-visible 스펙트로미터와 Perkin LS 형광 스펙트로미터로 측정하였다.
<
합성예
1> 화학식 2의 화합물((
Me
4
N
)
4
[
Ru
(
dcbpy
)
2
(NCS)
2
]) 합성
<화학식 2>
[Ru(dcbpyH2)2(NCS)2(N3, 화학식 10) (50 mg, 0.07 mmol)과 테트라메틸암모늄하이드록사이드(tetramethylammonium hydroxide 25 % solution in MeOH, 129 mg, 0.354 mmol)의 혼합물을 메탄올(2 ㎖)에 넣고 30분간 교반하였다. 이후, SEPHADEX-LH 20 칼럼상에서 용리액으로 메탄올을 이용하여 3회 정제하여 표제 화합물(49 mg, 수율 70%)을 수득하였다.
1H NMR(CD3OD): δ 9.42 (d, 2H, J = 8.8Hz), 8.96 (s, 2H), 8.85 (s, 2H), 8.23 (dd, 2H, J = 5.73, 5.76Hz), 7.69(d, 2H, J = 5.82), 7.59 (dd, 2H, J = 5.79, 5.83Hz), 3.22 (s, 48H).
C42H60N10O8RuS2에 대한 이론치: C, 50.54; H, 6.06, 실측치: C, 50.78; H, 6.11.
<
합성예
2> 화학식 3의 화합물((
Me
3
PhN
)
4
[
Ru
(
dcbpy
)
2
(NCS)
2
) 합성
<화학식 3>
[Ru(dcbpyH2)2(NCS)2(N3, 화학식 10) (100 mg, 0.141 mmol)과 트리메틸페닐암모늄 하이드록사이드(trimethylphenylammonium hydroxide 25 % solution in water, 434 mg, 0.708 mmol)의 혼합물을 메탄올(2 ㎖)에 넣고 2.0 시간 동안 교반하였다. 이후, SEPHADEX-LH 20 컬럼상에서 용리액으로 메탄올을 이용하여 3회 정제하여 표제 화합물(105 mg, 수율 60%)을 수득하였다.
1H NMR(CD3OD): δ 9.45 (d, 2H, J = 5.7Hz), 8.90 (s, 2H), 8.74 (s, 2H), 8.13 (dd, 2H, J = 5.74, 5.77Hz), 7.92(d, 8H, J = 8.79), 7.64-7.50 (m, 16H), 3.70 (s, 36H).
C62H68N10O8RuS2에 대한 이론치: C, 59.74; H, 5.50, 실측치: C, 59.78; H, 5.43.
<
합성예
3> 화학식 4의 화합물((
Bu
4
P
)
4
[
Ru
(
dcbpy
)
2
(NCS)
2
)의 합성
<화학식 4>
[Ru(dcbpyH2)2(NCS)2(N3, 화학식 10) (50 mg, 0.07 mmol)과 테트라부틸포스포늄 하이드록사이드(tetrabutylphosphonium hydroxide 40 % solution in water, 245 mg, 0.354 mmol)의 혼합물을 메탄올(2 ㎖)에 넣고 2.0 시간 동안 교반하였다. 이후, SEPHADEX-LH 20 컬럼상에서 용리액으로 메탄올을 이용하여 3회 정제하여 표제 화합물(70 mg, 수율 58%)을 수득하였다.
1H NMR(CD3OD): δ 9.50 (d, 2H, J = 5.73Hz), 9.03 (s, 2H), 8.87 (s, 2H), 8.22 (dd, 2H, J = 5.76, 5.77Hz), 7.66(d, 2H, J = 5.81), 7.59 (dd, 2H, J = 5.79, 5.85Hz), 2.19 (m, 32H), 1.53 (m, 64H), 0.97 (t, 48H, J = 6.98).
C90H156N6O8P4RuS2에 대한 이론치: C, 62.15; H, 9.04, 실측치: C, 62.18; H, 9.00.
<
합성예
4> 화학식 5의 화합물((
Me
3
BnN
)
4
[
Ru
(
dcbpy
)
2
(NCS)
2
) 합성
<화학식 5>
[Ru(dcbpyH2)2(NCS)2(N3, 화학식 10) (50 mg, 0.07 mmol)과 벤질트리메틸암모늄 하이드록사이드(benzyltrimethylammonium hydroxide 40 % solution in MeOH, 148 mg, 0.354 mmol)의 혼합물을 메탄올(2 ㎖)에 넣고 2.5 시간 동안 교반하였다. 이후, SEPHADEX-LH 20 컬럼상에서 용리액으로 메탄올을 이용하여 3회 정제하여 표제 화합물(65 mg, 수율 71%)을 수득하였다.
1H NMR(CD3OD): δ 9.42 (d, 2H, J = 5.62Hz), 8.93 (s, 2H), 8.77 (s, 2H), 8.11 (d, 2H, J = 5.20Hz), 7.56(m, 24H), 4.53 (s, 8H), 3.11 (s, 36H).
C66H76N6O8P4RuS2에 대한 이론치: C, 57.84; H, 5.59, 실측치: C, 58.01; H, 5.48.
<
평가예
1>
상기 합성예 1-4에서 제조한 화학식 2-5의 화합물에 대해 청색광(440 nm) 및 적색광(660 nm)에서의 UV 흡광도(U-2900, Hetachi)를 측정하고, 그 결과를 도 2 및 3에 나타내었다.
도 2 및 3을 살펴보면, 본 발명에 따른 화합물들은 당업계에 널리 알려진 N3 및 N719 염료보다 단파장으로 이동하면서 적색광 및 청색광에서 보다 낮은 흡광도를 나타내고 있다. 이는 본 발명에 따른 화합물이 적색광과 청색광에 대해 적정 비율의 우수한 투과율을 나타내고 있어, 기존의 N3, N719에 비해 식물의 생육에 더 적합함을 알 수 있다.
110: 제1 기판 120: 반도체 전극
130: 염료 140: 대향 전극
150: 제2 기판 160: 전해질 용액
170: 고분자층
130: 염료 140: 대향 전극
150: 제2 기판 160: 전해질 용액
170: 고분자층
Claims (1)
- 하기 화학식 1로 표시되는 화합물:
<화학식 1>
상기 식에서,
Ru는 루테늄이고;
NCS는 암모늄 티오시아네이트이며;
R2 는 COOH 또는 CO2 -R5 +(X3)(Y3)3이며;
R3은 COOH 또는 CO2 -R6 +(X4)(Y4)3이며;
R1, R4, R5 및 R6는 각각 독립적으로 질소(N) 또는 인(P)이며;
X1, X2, X3, X4, Y1, Y2, Y3 및 Y4는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알킬, 치환 또는 비치환된 페닐, 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알킬페닐, 또는 치환 또는 비치환된 C1-C20의 페닐알킬이다.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100130225A KR101751754B1 (ko) | 2010-12-17 | 2010-12-17 | 유기금속 화합물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100130225A KR101751754B1 (ko) | 2010-12-17 | 2010-12-17 | 유기금속 화합물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20120068551A true KR20120068551A (ko) | 2012-06-27 |
| KR101751754B1 KR101751754B1 (ko) | 2017-07-11 |
Family
ID=46687197
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020100130225A Expired - Fee Related KR101751754B1 (ko) | 2010-12-17 | 2010-12-17 | 유기금속 화합물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101751754B1 (ko) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4409261B2 (ja) | 2003-11-26 | 2010-02-03 | 株式会社豊田中央研究所 | 金属錯体色素、光電極及び色素増感型太陽電池 |
| JP4604183B2 (ja) | 2005-06-14 | 2010-12-22 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | ルテニウム錯体、同錯体を含む色素増感金属酸化物半導体電極、及び該半導体電極を備えた太陽電池 |
-
2010
- 2010-12-17 KR KR1020100130225A patent/KR101751754B1/ko not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101751754B1 (ko) | 2017-07-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Dragonetti et al. | Coupling of a copper dye with a copper electrolyte: A fascinating springboard for sustainable dye-Sensitized solar cells | |
| Islam et al. | Dye sensitization of nanocrystalline titanium dioxide with square planar platinum (II) diimine dithiolate complexes | |
| Nazeeruddin et al. | Stepwise assembly of amphiphilic ruthenium sensitizers and their applications in dye-sensitized solar cell | |
| Sandroni et al. | First application of the HETPHEN concept to new heteroleptic bis (diimine) copper (I) complexes as sensitizers in dye sensitized solar cells | |
| JP4676970B2 (ja) | 光増感色素 | |
| Cabau et al. | A single atom change “switches-on” the solar-to-energy conversion efficiency of Zn-porphyrin based dye sensitized solar cells to 10.5% | |
| Chalkias et al. | Spectral engineering of semi-transparent dye-sensitized solar cells using new triphenylamine-based dyes and an iodine-free electrolyte for greenhouse-oriented applications | |
| Kaliramna et al. | A review and comparative analysis of different types of dyes for applications in dye-sensitized solar cells | |
| Yu et al. | Highly Asymmetric Tribenzonaphtho‐Condensed Porphyrazinatozinc Complex: An Efficient Near‐Infrared Sensitizer for Dye‐Sensitized Solar Cells | |
| Sahoo et al. | Canna lily red and yellow flower extracts: A new power source to produce photovoltage through dye-sensitized solar cells | |
| Pradhan et al. | Synthesis and photophysical characterization of unsymmetrical squaraine dyes for dye-sensitized solar cells utilizing cobalt electrolytes | |
| Najm et al. | Influence of the concentration of chenodeoxycholic acid on the performance of the N719 dye | |
| Müller et al. | Effects of methyl-substituted phenanthrolines on the performance of ruthenium (ii) dye-sensitizers | |
| Sauvage et al. | A Dendritic Oligothiophene Ruthenium Sensitizer for Stable Dye‐Sensitized Solar Cells | |
| Chen et al. | Carbene-based ruthenium photosensitizers | |
| JP5721338B2 (ja) | ルテニウム錯体の製造方法 | |
| Salomón et al. | Novel Heteroleptic Ruthenium (II) Complexes with 2, 2′-Bipyridines Containing a Series of Electron-Donor and Electron-Acceptor Substituents in 4, 4′-Positions: Syntheses, Characterization, and Application as Sensitizers for ZnO Nanowire-Based Solar Cells | |
| EP3822281A1 (en) | Iron n-heterocyclic carbene compounds | |
| KR20130092689A (ko) | 신규한 루테늄 염료 및 이의 제조방법 | |
| Sahin et al. | Synthesis of an amphiphilic ruthenium complex with swallow-tail bipyridyl ligand and its application in nc-DSC | |
| Ünlü et al. | Highly efficient novel unsymmetrical Zn and TiO naphthalenephthalocyanine and YD2 porphyrin dyes as co-sensitizers for DSSCs | |
| KR100833502B1 (ko) | 다중 염료층을 가지는 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법 | |
| Sivakumar et al. | Synthesis and characterization of novel heteroleptic ruthenium sensitizer for nanocrystalline dye-sensitized solar cells | |
| KR101751754B1 (ko) | 유기금속 화합물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 | |
| Taffa et al. | Dye sensitized membranes within mesoporous TiO2: Photocurrents in aqueous solution |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20101217 |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| A201 | Request for examination | ||
| PA0201 | Request for examination |
Patent event code: PA02012R01D Patent event date: 20151217 Comment text: Request for Examination of Application Patent event code: PA02011R01I Patent event date: 20101217 Comment text: Patent Application |
|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20161121 Patent event code: PE09021S01D |
|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| PE0701 | Decision of registration |
Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20170530 |
|
| GRNT | Written decision to grant | ||
| PR0701 | Registration of establishment |
Comment text: Registration of Establishment Patent event date: 20170622 Patent event code: PR07011E01D |
|
| PR1002 | Payment of registration fee |
Payment date: 20170623 End annual number: 3 Start annual number: 1 |
|
| PG1601 | Publication of registration | ||
| PC1903 | Unpaid annual fee |
Termination category: Default of registration fee Termination date: 20210403 |