JP2008248134A - 色素及びこの色素を用いた色素増感太陽電池 - Google Patents
色素及びこの色素を用いた色素増感太陽電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008248134A JP2008248134A JP2007092583A JP2007092583A JP2008248134A JP 2008248134 A JP2008248134 A JP 2008248134A JP 2007092583 A JP2007092583 A JP 2007092583A JP 2007092583 A JP2007092583 A JP 2007092583A JP 2008248134 A JP2008248134 A JP 2008248134A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- dye
- conjugated
- group
- skeleton
- pigment
- 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
- 239000000049 pigment Substances 0.000 title abstract description 15
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims abstract description 31
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 30
- 150000004032 porphyrins Chemical group 0.000 claims description 31
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 11
- 230000005281 excited state Effects 0.000 claims description 6
- 125000001624 naphthyl group Chemical group 0.000 claims description 3
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 abstract description 14
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 14
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 abstract description 6
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 47
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 18
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 12
- -1 2,4,6-trimethylphenyl Chemical group 0.000 description 11
- 238000004770 highest occupied molecular orbital Methods 0.000 description 11
- 238000004768 lowest unoccupied molecular orbital Methods 0.000 description 10
- 238000001720 action spectrum Methods 0.000 description 9
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 7
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 7
- 239000007983 Tris buffer Substances 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WEGLMROFEPQIPS-UHFFFAOYSA-N CC1=CC(C)=CC(C)=C1C1=CC2=CC([N]3)=CC=C3C=C(C=C3)NC3=CC([N]3)=CC=C3C=C1N2 Chemical compound CC1=CC(C)=CC(C)=C1C1=CC2=CC([N]3)=CC=C3C=C(C=C3)NC3=CC([N]3)=CC=C3C=C1N2 WEGLMROFEPQIPS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 2
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 2
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 2
- 229930002875 chlorophyll Natural products 0.000 description 2
- 235000019804 chlorophyll Nutrition 0.000 description 2
- ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M chlorophyll a Chemical compound C1([C@@H](C(=O)OC)C(=O)C2=C3C)=C2N2C3=CC(C(CC)=C3C)=[N+]4C3=CC3=C(C=C)C(C)=C5N3[Mg-2]42[N+]2=C1[C@@H](CCC(=O)OC\C=C(/C)CCC[C@H](C)CCC[C@H](C)CCCC(C)C)[C@H](C)C2=C5 ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- PBTPREHATAFBEN-UHFFFAOYSA-N dipyrromethane Chemical compound C=1C=CNC=1CC1=CC=CN1 PBTPREHATAFBEN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 2
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004776 molecular orbital Methods 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 2
- 238000007363 ring formation reaction Methods 0.000 description 2
- 125000001424 substituent group Chemical group 0.000 description 2
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- LMUGWOGYBVBCTH-UHFFFAOYSA-N 2,4,6-trimethylbenzaldehyde Chemical compound CC1=CC(C)=C(C=O)C(C)=C1.CC1=CC(C)=C(C=O)C(C)=C1 LMUGWOGYBVBCTH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MVXMNHYVCLMLDD-UHFFFAOYSA-N 4-methoxynaphthalene-1-carbaldehyde Chemical compound C1=CC=C2C(OC)=CC=C(C=O)C2=C1 MVXMNHYVCLMLDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001111 Fine metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 102000001554 Hemoglobins Human genes 0.000 description 1
- 108010054147 Hemoglobins Proteins 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KAESVJOAVNADME-UHFFFAOYSA-N Pyrrole Chemical group C=1C=CNC=1 KAESVJOAVNADME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229930003779 Vitamin B12 Natural products 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PTFCDOFLOPIGGS-UHFFFAOYSA-N Zinc dication Chemical compound [Zn+2] PTFCDOFLOPIGGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N ZrO Inorganic materials [Zr]=O GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 1
- ZOIORXHNWRGPMV-UHFFFAOYSA-N acetic acid;zinc Chemical compound [Zn].CC(O)=O.CC(O)=O ZOIORXHNWRGPMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- AGVAZMGAQJOSFJ-WZHZPDAFSA-M cobalt(2+);[(2r,3s,4r,5s)-5-(5,6-dimethylbenzimidazol-1-yl)-4-hydroxy-2-(hydroxymethyl)oxolan-3-yl] [(2r)-1-[3-[(1r,2r,3r,4z,7s,9z,12s,13s,14z,17s,18s,19r)-2,13,18-tris(2-amino-2-oxoethyl)-7,12,17-tris(3-amino-3-oxopropyl)-3,5,8,8,13,15,18,19-octamethyl-2 Chemical compound [Co+2].N#[C-].[N-]([C@@H]1[C@H](CC(N)=O)[C@@]2(C)CCC(=O)NC[C@@H](C)OP(O)(=O)O[C@H]3[C@H]([C@H](O[C@@H]3CO)N3C4=CC(C)=C(C)C=C4N=C3)O)\C2=C(C)/C([C@H](C\2(C)C)CCC(N)=O)=N/C/2=C\C([C@H]([C@@]/2(CC(N)=O)C)CCC(N)=O)=N\C\2=C(C)/C2=N[C@]1(C)[C@@](C)(CC(N)=O)[C@@H]2CCC(N)=O AGVAZMGAQJOSFJ-WZHZPDAFSA-M 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000007324 demetalation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 210000003743 erythrocyte Anatomy 0.000 description 1
- 125000004185 ester group Chemical group 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- FBAFATDZDUQKNH-UHFFFAOYSA-M iron chloride Chemical compound [Cl-].[Fe] FBAFATDZDUQKNH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000003446 ligand Substances 0.000 description 1
- 150000002678 macrocyclic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 125000001434 methanylylidene group Chemical group [H]C#[*] 0.000 description 1
- RQODTKJVTXOAHI-UHFFFAOYSA-N methyl 4-formylnaphthalene-1-carboxylate Chemical compound C1=CC=C2C(C(=O)OC)=CC=C(C=O)C2=C1 RQODTKJVTXOAHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005787 mitochondrial ATP synthesis coupled electron transport Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 150000002815 nickel Chemical class 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 125000001997 phenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 description 1
- 125000002467 phosphate group Chemical group [H]OP(=O)(O[H])O[*] 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 125000005581 pyrene group Chemical group 0.000 description 1
- 125000000168 pyrrolyl group Chemical group 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 125000001174 sulfone group Chemical group 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011715 vitamin B12 Substances 0.000 description 1
- 235000019163 vitamin B12 Nutrition 0.000 description 1
- 239000004246 zinc acetate Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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
- Nitrogen Condensed Heterocyclic Rings (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
Abstract
【課題】色素増感太陽電池に用いられる色素の光吸収帯を太陽光のエネルギースペクトル分布の中心側にシフトさせて光エネルギーの利用効率の向上を図る。
【解決手段】色素(10)が、π共役系平面骨格を有するとともに光照射により金属酸化物の伝導帯のエネルギー準位よりも高く励起されるπ共役平面体(11)と、π共役系平面骨格を有するとともにπ共役平面体(11)の縁端に結合しその平面骨格を拡張させるπ共役拡張基(12)と、π共役拡張基(12)に結合するとともに前記金属酸化物の表面に吸着する吸着基(13)と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図２
【解決手段】色素(10)が、π共役系平面骨格を有するとともに光照射により金属酸化物の伝導帯のエネルギー準位よりも高く励起されるπ共役平面体(11)と、π共役系平面骨格を有するとともにπ共役平面体(11)の縁端に結合しその平面骨格を拡張させるπ共役拡張基(12)と、π共役拡張基(12)に結合するとともに前記金属酸化物の表面に吸着する吸着基(13)と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図２
Description
本発明は、光照射されるとその光エネルギーを吸収して励起する色素を用いて発電する色素増感太陽電池に関連し、特に、その色素についての技術分野に属する。
ポルフィリン骨格を有する化合物は、生体内の化学反応によっても作られる物質であって、例えば、赤血球のヘモグロビン、ビタミンＢ１２、葉緑素のクロロフィル、生物エネルギーを生産するミトコンドリアの電子伝達系等、生理的に重要な役割を果たす物質である。
またポルフィリン骨格を有する化合物は、その中心部の窒素が、鉄やマグネシウムをはじめとする多くの元素と結びつき、安定な錯体を形成することができる。さらにポルフィリン骨格の周辺には種々の置換基を付加することができる。このため、ポルフィリン骨格を有する化合物は、特異な性質を発現するものが多く、その基本特性を探求する研究が古くから行われている。
またポルフィリン骨格を有する化合物は、その中心部の窒素が、鉄やマグネシウムをはじめとする多くの元素と結びつき、安定な錯体を形成することができる。さらにポルフィリン骨格の周辺には種々の置換基を付加することができる。このため、ポルフィリン骨格を有する化合物は、特異な性質を発現するものが多く、その基本特性を探求する研究が古くから行われている。
図１２は、ポルフィリン骨格の構造を非対称にすることにより、その光吸収特性が変化することを示した公知の研究結果である（非特許文献１参照）。
図１２（ａ）の６−８は、ポルフィリン骨格に拡張基を付加しつつ、この拡張基を回転自在に設け、化合物の構造対称性を具備するように分子設計した例である。そして、図１２（ｃ）の６−８のデータ線は、それぞれ該当する図１２（ａ）の６−８の化合物の光吸収特性を示している。
図１２（ａ）の６−８は、ポルフィリン骨格に拡張基を付加しつつ、この拡張基を回転自在に設け、化合物の構造対称性を具備するように分子設計した例である。そして、図１２（ｃ）の６−８のデータ線は、それぞれ該当する図１２（ａ）の６−８の化合物の光吸収特性を示している。
図１２（ｂ）の９−１１は、それぞれの上段に位置する（ａ）の６−８の化合物に対し、前記の拡張基の回転を固定してポルフィリン骨格のπ共役平面が拡張されるようにして構造を非対称にした化合物である。そして、図１２（ｄ）の９−１１のデータ線は、それぞれ該当する図１２（ｂ）の９−１１の化合物の光吸収特性を示している。
図１２（ｃ）に示すように、構造の対称性を有する化合物の光吸収帯域は、波長４００ｎｍ付近を中心とするソーレ（Soret）帯と、波長５２０ｎｍ付近を中心とするとするＱ帯と、に分かれて分布している。
そして、化合物の構造を非対称にすると、図１２（ｄ）に示すように、ソーレ帯のピーク強度が低下するとともに吸収分布が長波長側にシフトすることが観察される。このように、ポルフィリン骨格の構造対称性を消失又は変化させることにより、化合物の光吸収分布が変化する特性が公知である（非特許文献１参照）。
そして、化合物の構造を非対称にすると、図１２（ｄ）に示すように、ソーレ帯のピーク強度が低下するとともに吸収分布が長波長側にシフトすることが観察される。このように、ポルフィリン骨格の構造対称性を消失又は変化させることにより、化合物の光吸収分布が変化する特性が公知である（非特許文献１参照）。
また一方で、ポルフィリン骨格を有する化合物の、π共役系において平面骨格全体に広がったπ電子雲を自由に動き回るπ電子の特性を利用して、この化合物を色素に適用し有用な色素増感太陽電池を創出するための研究が進められている。
K.Kurotobi,K.S.Kin,S.B.Noh,D.Kim,and A.Osuka,Angew.Chem.Int.Ed.2006,45,3944.
K.Kurotobi,K.S.Kin,S.B.Noh,D.Kim,and A.Osuka,Angew.Chem.Int.Ed.2006,45,3944.
しかし、図１１に示されるように、ポルフィリンの主な光吸収帯であるソーレ帯及びＱ帯は、太陽光のエネルギースペクトル分布の低波長側に偏っているために、太陽光のエネルギーの多くの部分を有効利用できない問題があった。
本発明は、このような問題点を解決することを課題にするものであり、光吸収帯を太陽光のエネルギースペクトル分布の中心側にシフトさせて光エネルギーの利用効率の向上を図る色素を提供することを目的とする。
本発明は、前記した目的を達成するために創案されたものであり、色素の発明において、π共役系平面骨格を有するとともに光照射により金属酸化物の伝導帯のエネルギー準位よりも高く励起できるπ共役平面体と、π共役系による平面骨格を有するとともに前記π共役平面体の縁端に結合しその平面骨格を拡張させるπ共役拡張基と、前記π共役拡張基に結合するとともに前記金属酸化物の表面に吸着する吸着基と、を備えることを特徴とする。
このような構成を発明が備えることで、π共役拡張基の結合により、π共役平面体の構造は非対称になる。これにより、π共役結合による平面骨格に広がるπ電子雲の分布に変化が生じ、π共役平面体の光吸収帯が長波長側にシフトすることになる。
さらに、光照射により励起される電子の分布はπ共役平面中その拡張基側に偏在するところ、吸着基がπ共役拡張基側に設けられていることにより、前記金属酸化物への電子注入を円滑にすることができる。
さらに、光照射により励起される電子の分布はπ共役平面中その拡張基側に偏在するところ、吸着基がπ共役拡張基側に設けられていることにより、前記金属酸化物への電子注入を円滑にすることができる。
本発明により、太陽光のエネルギースペクトル分布の中心側に光吸収帯がシフトして光エネルギーの利用効率が向上する色素、及びこの色素を用い発電効率が向上する色素増感太陽電池を提供することができる。
以下本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１を参照して本発明に係る色素増感太陽電池の実施形態について説明する。
図１（ａ）に示されるように、本実施形態に係る色素増感太陽電池１は、光照射を受ける側に位置し色素１０により表面修飾された多孔質層４を備える透明電極２と、この透明電極２と対向し間隙に電解質５を封入する対極３と、を備えて構成される。
図１を参照して本発明に係る色素増感太陽電池の実施形態について説明する。
図１（ａ）に示されるように、本実施形態に係る色素増感太陽電池１は、光照射を受ける側に位置し色素１０により表面修飾された多孔質層４を備える透明電極２と、この透明電極２と対向し間隙に電解質５を封入する対極３と、を備えて構成される。
このように構成されることにより色素増感太陽電池１は、透明電極２を通過した入射光により色素１０が励起され、金属酸化物６の表面に電子注入される。そして注入された電子は、透明電極２に集電される。一方、電子を失った色素１０は、電解質５から電子を受け取り、この電解質５は対極３から電子を受け取り、この対極３は外部負荷を経由して透明電極２から電子を受け取る。このような電子授受のサイクルが繰り返されることにより光エネルギーが電気エネルギーに変換されることとなる。
透明電極２は、通常、ガラス基板の上にＳｎＯ２やＩＴＯ（Indium. Tin. Oxide）などの導電性膜（図示せず）が塗布、蒸着されて構成されるものであって、照射光を減衰することなく透過させるとともにアノード極としての役割を果たすものである。
さらに、この透明電極２の前記導電性膜上には、多孔質層４が積層されている。
この多孔質層４は、図１（ｂ）に部分拡大断面図が示されるように、微粒子の金属酸化物６を集積させてポーラス状に形成されたものであって、その表面には後記する色素１０（適宜図２参照）が装飾されている。
さらに、このポーラス部分に電解質５が侵入し、色素１０と接触して電子交換ができるようになっている。
さらに、この透明電極２の前記導電性膜上には、多孔質層４が積層されている。
この多孔質層４は、図１（ｂ）に部分拡大断面図が示されるように、微粒子の金属酸化物６を集積させてポーラス状に形成されたものであって、その表面には後記する色素１０（適宜図２参照）が装飾されている。
さらに、このポーラス部分に電解質５が侵入し、色素１０と接触して電子交換ができるようになっている。
金属酸化物６は、ガラス基板の導電性膜上にナノサイズのチタニア粒子（ＴｉＯ２）をペースト状にして塗布し、これを４５０℃程度で焼結してなるものであって、焼結後形成される多孔質層４の厚みは数１０μm程度である。この多孔質層４は、多数のナノサイズのポーラスを有するため、実効表面積は透明電極２の見かけ面積の１０００倍以上に達する。
このため、この金属酸化物６の表面に色素１０を吸着させることにより、透明電極２の表面に大量の色素１０を導入することが可能となり、照射光の透過を少なくして光エネルギーの有効利用を図ることができる。
このため、この金属酸化物６の表面に色素１０を吸着させることにより、透明電極２の表面に大量の色素１０を導入することが可能となり、照射光の透過を少なくして光エネルギーの有効利用を図ることができる。
金属酸化物６は、バンドギャップが大きいために、可視光領域で光照射を受けても自身が有する電子が価電子帯から伝導帯に励起することはない。しかし、光照射により励起した色素１０から大量の電子が金属酸化物６の伝導帯に向けて注入されることになる。
そのような、金属酸化物６としては、ＴｉＯ２以外に、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、及びこれらの複合系が考えられるが、これらに限定されるものではない。
そのような、金属酸化物６としては、ＴｉＯ２以外に、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、及びこれらの複合系が考えられるが、これらに限定されるものではない。
対極３は、通常、ガラス基板の上に白金を蒸着したものを用い、カソード極としての役割を果たすものである。
電解質５は、多孔質層４のポーラスに充填され、金属酸化物６への電子注入により酸化状態にある色素１０に対し、電子を供与して元の中性状態に戻す。このときＩ−イオンは電子を失ってＩ３ −イオンとなるが、このＩ３ −イオンは、対極３から電子を受容して再びＩ−イオンに戻る。このようにＩ−／Ｉ３ −イオンは、色素１０と対極３との間を行き来して電子の供与・受容を繰り返すことにより色素増感太陽電池１の発電が継続される。
電解質５は、多孔質層４のポーラスに充填され、金属酸化物６への電子注入により酸化状態にある色素１０に対し、電子を供与して元の中性状態に戻す。このときＩ−イオンは電子を失ってＩ３ −イオンとなるが、このＩ３ −イオンは、対極３から電子を受容して再びＩ−イオンに戻る。このようにＩ−／Ｉ３ −イオンは、色素１０と対極３との間を行き来して電子の供与・受容を繰り返すことにより色素増感太陽電池１の発電が継続される。
なお、このように酸化状態にある色素１０に電子を供与して元の中性状態に戻すためには、電解質５のエネルギー準位が色素１０の基底エネルギー準位（近似的にはＨＯＭＯ準位）より高いことが必要条件である。さらに、この電解質５のエネルギー準位と金属酸化物６のフェルミ準位(チタニアでは伝導帯のエネルギー準位に近い)との差が開放電圧Ｖｏｃ（図９（ａ）参照）の大きさに対応する。
また、電解質５は、ここで例示したような、溶液質のものに限定されることはなく、ゲル質、固体質のものも好ましく適用することができる。
また、電解質５は、ここで例示したような、溶液質のものに限定されることはなく、ゲル質、固体質のものも好ましく適用することができる。
次に、図２（適宜、図１）を参照して本発明における色素の実施形態について説明する。
図２に分子構造図が示されるように、色素１０は、π共役平面体１１と、π共役拡張基１２と、吸着基１３と、を備えて構成される。
このように構成される色素１０は、金属酸化物６の表面に吸着し、光照射されると基底エネルギー準位から金属酸化物６の伝導帯のエネルギー準位よりも高く励起されて、この伝導帯に電子を注入するものである。
このように光照射を受けて色素１０が励起してもその励起状態の寿命（励起状態が緩和されるまでの時間）は非常に短いと考えられている。このため、金属酸化物６の伝導帯への電子注入が確実に達成されるためには、色素１０が金属酸化物６の表面に直接接合していることと、色素１０の励起エネルギー準位がチタニアの伝導帯のエネルギー準位よりも高いことが必要である。
図２に分子構造図が示されるように、色素１０は、π共役平面体１１と、π共役拡張基１２と、吸着基１３と、を備えて構成される。
このように構成される色素１０は、金属酸化物６の表面に吸着し、光照射されると基底エネルギー準位から金属酸化物６の伝導帯のエネルギー準位よりも高く励起されて、この伝導帯に電子を注入するものである。
このように光照射を受けて色素１０が励起してもその励起状態の寿命（励起状態が緩和されるまでの時間）は非常に短いと考えられている。このため、金属酸化物６の伝導帯への電子注入が確実に達成されるためには、色素１０が金属酸化物６の表面に直接接合していることと、色素１０の励起エネルギー準位がチタニアの伝導帯のエネルギー準位よりも高いことが必要である。
π共役平面体１１は、π共役系平面骨格を有するとともに光照射により金属酸化物６（図１参照）の伝導帯のエネルギー準位よりも高く励起されるものである。
ここで、π共役系とは、炭素原子間の共有結合が単結合及び二重結合が交互である結合状態を指す。すると、炭素原子同士をつないだ直線に対して垂直な軌道面を持つπ電子がπ共役平面体１１の分子全体に広がって存在（非局在化）することになる。
このように、π共役平面体１１は、π電子が非局在化していることにより、光照射により吸収した光エネルギーによって電子が励起されて、容易に電荷分離を引き起こす特異な電気的、光学的性質を示すことが知られている。
ここで、π共役系とは、炭素原子間の共有結合が単結合及び二重結合が交互である結合状態を指す。すると、炭素原子同士をつないだ直線に対して垂直な軌道面を持つπ電子がπ共役平面体１１の分子全体に広がって存在（非局在化）することになる。
このように、π共役平面体１１は、π電子が非局在化していることにより、光照射により吸収した光エネルギーによって電子が励起されて、容易に電荷分離を引き起こす特異な電気的、光学的性質を示すことが知られている。
さらに、π共役平面体１１の分子設計においては、その励起エネルギー準位（つまりＬＵＭＯ準位）が金属酸化物６の伝導帯のエネルギー準位よりも高くなるように、かつ基底エネルギー準位（つまりＨＯＭＯ準位）が電解質５のエネルギー準位よりも低くなるように設計される。
このようなπ共役平面体１１としては、図示するようにポルフィリン骨格を有するものが代表的であるがこれに限定されるものではない。
ここでポルフィリンとは、４つのピロール環がα位置で４つのメチン基と交互に結合した大環状化合物とその誘導体を指す。
このポルフィリンの特徴としては、(i)頑強な平面骨格と(ii)π共役結合による強い可視光吸収とを有している点が挙げられ、ポルフィリン骨格の中央に金属原子（図ではＺｎ）を取り込み平面４座配位子として多くの錯体を形成するとともに、４箇所のメソ位およびβ-ピロール位（ポルフィリン骨格周り）を様々な置換基（図ではＡｒ（アリール基））で修飾することができる。
ここでポルフィリンとは、４つのピロール環がα位置で４つのメチン基と交互に結合した大環状化合物とその誘導体を指す。
このポルフィリンの特徴としては、(i)頑強な平面骨格と(ii)π共役結合による強い可視光吸収とを有している点が挙げられ、ポルフィリン骨格の中央に金属原子（図ではＺｎ）を取り込み平面４座配位子として多くの錯体を形成するとともに、４箇所のメソ位およびβ-ピロール位（ポルフィリン骨格周り）を様々な置換基（図ではＡｒ（アリール基））で修飾することができる。
このように、ポルフィリン骨格を主体として分子構造を可変することで、色素１０のＬＵＭＯの電子密度やＨＯＭＯの電子密度を精密に制御することができる。これにより、色素１０の光吸収特性、特にその波長選択性、吸光量を変化させることができる。
π共役拡張基１２は、π共役系平面骨格を有するとともにπ共役平面体１１の縁端に結合しその平面骨格を平面方向に拡張させるものである。
このようなπ共役拡張基１２は、図示するようにナフタレン骨格を有するもの好ましく採用されるがこれに限定されるものではない。
このように、π共役拡張基１２が導入されることにより、色素１０の構造は、π共役平面体の対称性が崩されて非対称な構造になる。
このようなπ共役拡張基１２は、図示するようにナフタレン骨格を有するもの好ましく採用されるがこれに限定されるものではない。
このように、π共役拡張基１２が導入されることにより、色素１０の構造は、π共役平面体の対称性が崩されて非対称な構造になる。
吸着基１３は、π共役拡張基１２に結合するとともに金属酸化物６（図１（ｂ）参照）の表面に吸着するものである。これにより、色素１０は、吸着基１３により化学的に金属酸化物６の表面に結合し、電子移動のエネルギー障壁を低く抑えて金属酸化物６への電子注入を円滑にすることができる。
吸着基１３としては、図示するようなカルボキシル基以外のものとしては、スルフォン基、リン酸基等が挙げられる。
ところで、色素１０を多孔質層４の表面に吸着させる処理は、この多孔質層４が積層された透明電極２を、この色素１０が溶解している有機溶媒中に浸漬させる湿式プロセスにより行う。
これにより色素１０は、吸着基１３を金属酸化物６の表面に接触させて、単分子層で化学吸着することになる。そして、金属酸化物６の表面に化学吸着した色素１０はそのまま強く定着し、その上に多層となって物理吸着した色素１０は簡単に洗い流すことができる。
吸着基１３としては、図示するようなカルボキシル基以外のものとしては、スルフォン基、リン酸基等が挙げられる。
ところで、色素１０を多孔質層４の表面に吸着させる処理は、この多孔質層４が積層された透明電極２を、この色素１０が溶解している有機溶媒中に浸漬させる湿式プロセスにより行う。
これにより色素１０は、吸着基１３を金属酸化物６の表面に接触させて、単分子層で化学吸着することになる。そして、金属酸化物６の表面に化学吸着した色素１０はそのまま強く定着し、その上に多層となって物理吸着した色素１０は簡単に洗い流すことができる。
図３（ａ）は色素１０のＨＯＭＯの電子密度の高い部分を示し、図３（ｂ）はＬＵＭＯの電子密度の高い部分を示している。
ここでＨＯＭＯ（Highest Occupied Molecular Orbital：最高被占軌道）とは電子によって占有されている分子軌道のうち最もエネルギーの高い軌道をいい、ＬＵＭＯ（Lowest Unoccupied Molecular Orbital: 最低空軌道）とは電子によって占有されていない分子軌道のうち最もエネルギーの低い軌道をいう。
光照射された色素１０は、光エネルギーを吸収して基底状態から励起状態に遷移するが、その際のエネルギーギャップは、ＨＯＭＯとＬＵＭＯのエネルギー差に相当する。そして、色素１０の基底エネルギー準位はＨＯＭＯ準位として、励起エネルギー準位はＬＵＭＯ準位として、定性的にみなすことができる。
ここでＨＯＭＯ（Highest Occupied Molecular Orbital：最高被占軌道）とは電子によって占有されている分子軌道のうち最もエネルギーの高い軌道をいい、ＬＵＭＯ（Lowest Unoccupied Molecular Orbital: 最低空軌道）とは電子によって占有されていない分子軌道のうち最もエネルギーの低い軌道をいう。
光照射された色素１０は、光エネルギーを吸収して基底状態から励起状態に遷移するが、その際のエネルギーギャップは、ＨＯＭＯとＬＵＭＯのエネルギー差に相当する。そして、色素１０の基底エネルギー準位はＨＯＭＯ準位として、励起エネルギー準位はＬＵＭＯ準位として、定性的にみなすことができる。
図３（ａ）に示されるように、実施形態の色素１０は、全体構造が非対称性を有するとともにπ共役拡張基１２側（図２参照）において金属酸化物６（図１（ｂ）参照）に吸着しているという特徴的な構造を有することに由来して、基底状態において電子注入に関与する電子密度が化学吸着基１３の側に偏在している。さらに図３（ｂ）に示されるように、色素１０は、光照射をうけて基底状態から励起状態に遷移すると、電子注入に関与する電子の高密度部分が化学吸着基１３の側にさらに拡大することがわかる。
次に、図４（ａ）−（ｄ）を参照して、実施形態に係る色素の合成方法について説明する。
まず図４（ａ）に示されるように、（２，４，６トリメチルフェニル）ジピロメタン（(2,4,6-trimethylphenyl)dipyrromethane）と、４カルボメトキシ−１−ナフタルデヒド（4-carbomethoxy-1-naphtaldehyde）と、２，４，６−トリメチルベンズアルデヒド（2,4,6-trimethylbenzaldehyde）とを出発材料として、リンゼイ法により環化縮合反応を行った。すると、図４（ｂ）に示されるように、５−（４カルボメトキシナフタ−１−イル）−１０，１５，２０−トリス（２，４，６−トリメチルフェニル）ポルフィリン（5-(4-carbomethoxynaphth-1-yl)-10,15,20-tris(2,4,6-trimethylphenyl)porphyrin）が収率１１％で得られた。
次に、ニッケル塩処理することにより、Ｎｉ原子を導入した５−（４−カルボメトキシナフタ−１−イル）−１０，１５，２０−トリス（２，４，６−トリメチルフェニル）ポルフィリネートニッケル（ＩＩ）（5-(4-carbomethoxynaphth-1-yl)-10,15,20-tris(2,4,6trimethylphenyl)porphyrinatonickel(II)）を得る。このように、ポルフィリン骨格の中心にＮｉ原子を先立って導入するのはポルフィリンを活性化して、酸化的に縮合環化させるためである。
最後に、塩化鉄による縮合環化、脱メタル化、カルボキシ基の加水分解、酢酸亜鉛処理することにより、Ｎｉ原子をＺｎ原子に置換、エステル基を化学吸着基に変換するとともに、４カルボメトキシナフチル基とポルフィリンとを縮環してπ共役平面が拡張するようにして、図４（ｄ）に示されるように、本発明に係る色素の実施形態である３，５−[１，８]−（４−カルボキシナフタレノ）−１０，１５，２０−トリス（２，４，６トリメチルフェニル）ポルフィネート亜鉛（ＩＩ）（3,5-[1,8]-(4-carboxynaphtaleno)-10,15,20-tris(2,4,6-trimethylphenyl)porphyrinatozink(II)）を得る。
まず図４（ａ）に示されるように、（２，４，６トリメチルフェニル）ジピロメタン（(2,4,6-trimethylphenyl)dipyrromethane）と、４カルボメトキシ−１−ナフタルデヒド（4-carbomethoxy-1-naphtaldehyde）と、２，４，６−トリメチルベンズアルデヒド（2,4,6-trimethylbenzaldehyde）とを出発材料として、リンゼイ法により環化縮合反応を行った。すると、図４（ｂ）に示されるように、５−（４カルボメトキシナフタ−１−イル）−１０，１５，２０−トリス（２，４，６−トリメチルフェニル）ポルフィリン（5-(4-carbomethoxynaphth-1-yl)-10,15,20-tris(2,4,6-trimethylphenyl)porphyrin）が収率１１％で得られた。
次に、ニッケル塩処理することにより、Ｎｉ原子を導入した５−（４−カルボメトキシナフタ−１−イル）−１０，１５，２０−トリス（２，４，６−トリメチルフェニル）ポルフィリネートニッケル（ＩＩ）（5-(4-carbomethoxynaphth-1-yl)-10,15,20-tris(2,4,6trimethylphenyl)porphyrinatonickel(II)）を得る。このように、ポルフィリン骨格の中心にＮｉ原子を先立って導入するのはポルフィリンを活性化して、酸化的に縮合環化させるためである。
最後に、塩化鉄による縮合環化、脱メタル化、カルボキシ基の加水分解、酢酸亜鉛処理することにより、Ｎｉ原子をＺｎ原子に置換、エステル基を化学吸着基に変換するとともに、４カルボメトキシナフチル基とポルフィリンとを縮環してπ共役平面が拡張するようにして、図４（ｄ）に示されるように、本発明に係る色素の実施形態である３，５−[１，８]−（４−カルボキシナフタレノ）−１０，１５，２０−トリス（２，４，６トリメチルフェニル）ポルフィネート亜鉛（ＩＩ）（3,5-[1,8]-(4-carboxynaphtaleno)-10,15,20-tris(2,4,6-trimethylphenyl)porphyrinatozink(II)）を得る。
次に、図５から図９を参照して、本発明の特徴的構成を具備しない比較例を例示して、これら比較例と、本実施形態の実施例との効果を対比する。
図５（ａ）に示される比較例１の色素２０は、本発明の特徴であるポルフィリン骨格（π共役結合による平面骨格）の構造の非対称性を具備しない化合物の分子構造図である。
実施例の色素１０（図２参照）と比較例１の色素２０との相違点は、π共役平面体１１とπ共役拡張基１２とが縮環されているか否かの点にあり、比較例１の色素２０では、π共役拡張基１２がπ共役平面体１１に対して回転自在に結合している。
図５（ａ）に示される比較例１の色素２０は、本発明の特徴であるポルフィリン骨格（π共役結合による平面骨格）の構造の非対称性を具備しない化合物の分子構造図である。
実施例の色素１０（図２参照）と比較例１の色素２０との相違点は、π共役平面体１１とπ共役拡張基１２とが縮環されているか否かの点にあり、比較例１の色素２０では、π共役拡張基１２がπ共役平面体１１に対して回転自在に結合している。
図７（ａ）に比較例１の色素の合成手順を示す。
比較例１の色素２０の合成は、図４（ｂ）で作製した化合物に対し、加水分解、亜鉛挿入により行った。
比較例１の色素２０の合成は、図４（ｂ）で作製した化合物に対し、加水分解、亜鉛挿入により行った。
図５（ｂ）に示される比較例２の色素３０は、ポルフィリン骨格の構造が非対称性である本発明の特徴を具備しているが、本発明の他の特徴である吸着基がπ共役拡張基側に結合される要件を満たしていない色素の分子構造図である。
図７（ｂ）に比較例２の色素の合成手順を示す。
比較例２の色素３０の合成は、出発材料として、（２，４，６トリメチルフェニル）ジピロメタンと、４−メトキシ−１−ナフトアルデヒド（4-methoxy-1-naphtoaldehyd）と、４−カルボメトキシ−１−ベンズアルデヒド（4-carbomethoxy-1-benzaldehyde）とを用いる点を除き、他は、実施例の合成方法について説明した図４（ａ）−（ｄ）の工程と同じであるのでその説明を援用することとして記載を省略する。
図７（ｂ）に比較例２の色素の合成手順を示す。
比較例２の色素３０の合成は、出発材料として、（２，４，６トリメチルフェニル）ジピロメタンと、４−メトキシ−１−ナフトアルデヒド（4-methoxy-1-naphtoaldehyd）と、４−カルボメトキシ−１−ベンズアルデヒド（4-carbomethoxy-1-benzaldehyde）とを用いる点を除き、他は、実施例の合成方法について説明した図４（ａ）−（ｄ）の工程と同じであるのでその説明を援用することとして記載を省略する。
図６（ａ）は比較例２の色素３０のＨＯＭＯの電子密度の高い部分を示し、図６（ｂ）はＬＵＭＯの電子密度の高い部分を示している。
比較例２の色素３０は、全体構造が非対称性を有しているが、実施例（図３参照）と異なり、π共役拡張基１２とは反対側で金属酸化物６に吸着している構造に由来して、基底状態において全体的に電子密度が化学吸着基１３の反対側に偏在している。
さらに図６（ｂ）に示されるように、比較例２の色素３０は、光照射をうけて基底状態から励起状態に遷移しても、化学吸着基１３の反対側の方が電子密度が高いことに変わりはない。
比較例２の色素３０は、全体構造が非対称性を有しているが、実施例（図３参照）と異なり、π共役拡張基１２とは反対側で金属酸化物６に吸着している構造に由来して、基底状態において全体的に電子密度が化学吸着基１３の反対側に偏在している。
さらに図６（ｂ）に示されるように、比較例２の色素３０は、光照射をうけて基底状態から励起状態に遷移しても、化学吸着基１３の反対側の方が電子密度が高いことに変わりはない。
図８は、本実施形態の色素１０（図２参照）を表面に化学吸着させた多孔質層４（図１参照）が積層された透明電極２に紫外−可視光を透過させその吸収度を測定して得られた紫外可視吸収スペクトル（実施例）に、この色素１０に代えて色素２０（図５（ａ）参照）を装飾して得られたスペクトル（比較例１）、色素１０に代えて色素３０（図５（ｂ）参照）を装飾して得られたスペクトル（比較例２）を重ね書きして対比したグラフである。
図示されるように、全体構造が対称である色素２０（図５（ａ）参照）による比較例１では、ポルフィリンに固有の吸収帯として４００ｎｍ付近にソーレ帯、５５０ｎｍ付近にＱ帯が観測される。
これに対して、全体構造が非対称である色素１０（図２参照）による実施例及び色素３０（図５（ｂ）参照）による比較例２では、ポルフィリンに固有のソーレ帯、及びＱ帯は長波長側にシフトするとともに吸光度も増大するのが観測される。
図８に示されるスペクトルの面積を積分した値は、この酸化チタンに化学吸着した色素の全吸収光子量に相当する。この面積の違いを見ると、実施例は比較例１より約４倍大きくなっている。これより環拡張した実施例は環拡張されていない比較例１と比べて光吸収光子量が大きくなっていることがわかる。
一般的なπ共役系のポルフィリンでは多くの場合、π共役拡張した分子がπ共役拡張していない分子よりもスペクトルの積分値が小さくなる。本発明で実施した実施例と比較例２の場合、両者ともπ共役拡張していない比較例１よりもスペクトルの積分値が大きくなっている。この理由は必ずしも明確ではないが、π共役拡張が実施例と比較例２の環拡張構造の場合、分子自由回転が阻害されているために、分子が細密に吸着しやすい。そのため、酸化チタン上での吸着分子の数を増加させることができる。
この効果によって、単にスペクトルの吸収端が長波長側にシフトするだけではなく、全体の吸収強度も増大することがわかる。
これに対して、全体構造が非対称である色素１０（図２参照）による実施例及び色素３０（図５（ｂ）参照）による比較例２では、ポルフィリンに固有のソーレ帯、及びＱ帯は長波長側にシフトするとともに吸光度も増大するのが観測される。
図８に示されるスペクトルの面積を積分した値は、この酸化チタンに化学吸着した色素の全吸収光子量に相当する。この面積の違いを見ると、実施例は比較例１より約４倍大きくなっている。これより環拡張した実施例は環拡張されていない比較例１と比べて光吸収光子量が大きくなっていることがわかる。
一般的なπ共役系のポルフィリンでは多くの場合、π共役拡張した分子がπ共役拡張していない分子よりもスペクトルの積分値が小さくなる。本発明で実施した実施例と比較例２の場合、両者ともπ共役拡張していない比較例１よりもスペクトルの積分値が大きくなっている。この理由は必ずしも明確ではないが、π共役拡張が実施例と比較例２の環拡張構造の場合、分子自由回転が阻害されているために、分子が細密に吸着しやすい。そのため、酸化チタン上での吸着分子の数を増加させることができる。
この効果によって、単にスペクトルの吸収端が長波長側にシフトするだけではなく、全体の吸収強度も増大することがわかる。
図９（ａ）は本実施形態に係る色素１０（図２参照）を採用した色素増感太陽電池１（図１参照）の電流−電圧曲線（Ｉ−Ｖ曲線；実施例）に、色素２０（図５（ａ）参照）を採用したもののＩ−Ｖ曲線（比較例１）、色素３０（図５（ｂ）参照）を採用したもののＩ−Ｖ曲線（比較例２）を重ねがきして対比したグラフである。
図示されるように、短絡電流密度Ｊｓｃは、実施例において１０．６ｍＡ／ｃｍ２、比較例１において６．７ｍＡ／ｃｍ２、比較例２において３．６ｍＡ／ｃｍ２の値を示した。また、開放電圧Ｖｏｃは、実施例において０．６２Ｖ、比較例１において０．６１Ｖ、比較例２において０．５３Ｖの値を示した。
そして、変換効率ηについて求めると、実施例において４．１％、比較例１において２．８％、比較例２において１．１％の値が得られた。
このように、短絡電流密度Ｊｓｃ、開放電圧Ｖｏｃ及び変換効率ηのいずれをとっても、実施例は、比較例１，２に対して優れた結果を示している。
そして、変換効率ηについて求めると、実施例において４．１％、比較例１において２．８％、比較例２において１．１％の値が得られた。
このように、短絡電流密度Ｊｓｃ、開放電圧Ｖｏｃ及び変換効率ηのいずれをとっても、実施例は、比較例１，２に対して優れた結果を示している。
図９（ｂ）は本実施形態に係る色素１０（図２参照）を採用した色素増感太陽電池１（図１参照）のアクションスペクトル（実施例）に、色素２０（図５（ａ）参照）を採用したもののアクションスペクトル（比較例１）、色素３０（図５（ｂ）参照）を採用したもののアクションスペクトル（比較例２）を重ねがきして対比したグラフである。
このアクションスペクトルは、入射単色光当たりの光電変換効率（ＩＰＣＥ；Incident Photon-to-Current Efficiency）を測定した結果である。
このアクションスペクトルは、入射単色光当たりの光電変換効率（ＩＰＣＥ；Incident Photon-to-Current Efficiency）を測定した結果である。
図示されるように、全体構造が非対称である色素１０（図２参照）による実施例及び色素３０（図５（ｂ）参照）による比較例２では、全体構造が対称である比較例１の色素２０（図５（ａ）参照）に対して、アクションスペクトルが長波長側にシフトして観測された。
このように、アクションスペクトルが長波長側にシフトするのは、色素の全体構造が非対称構造をとることにより、π共役結合の平面骨格に広がるπ電子雲の分布が変化したことを反映した結果と考えられる。
このように、アクションスペクトルが長波長側にシフトするのは、色素の全体構造が非対称構造をとることにより、π共役結合の平面骨格に広がるπ電子雲の分布が変化したことを反映した結果と考えられる。
さらに、π共役拡張基１２の側に化学吸着基１３を有する実施例と、π共役拡張基１２とは反対側に化学吸着基１３を有する比較例１とを対比すると、全ての波長領域において、実施例のほうがＩＰＣＥ値が二倍程度またはそれ以上の優れた値をとることが観測された。
このように、実施例においてアクションスペクトルのＩＰＣＥ値が全波長において向上するのは、図３，６を参照して説明したように、π共役拡張基１２の側において電子注入に関わる電子の密度が向上するとともに、金属酸化物６までの距離が短いことにより、光照射により電子が励起された後その多くが緩和する前に電子注入を完了させることが可能なためと考えられる。
これにより、実施例の色素によれば、太陽光のスペクトル分布により一致したアクションスペクトルが得られるとともにより高い変換効率が達成される。
このように、実施例においてアクションスペクトルのＩＰＣＥ値が全波長において向上するのは、図３，６を参照して説明したように、π共役拡張基１２の側において電子注入に関わる電子の密度が向上するとともに、金属酸化物６までの距離が短いことにより、光照射により電子が励起された後その多くが緩和する前に電子注入を完了させることが可能なためと考えられる。
これにより、実施例の色素によれば、太陽光のスペクトル分布により一致したアクションスペクトルが得られるとともにより高い変換効率が達成される。
図１０は本発明における色素の他の実施形態を示す分子構造図である。
図１０（ａ）は、π共役拡張基１２’として、実施形態のナフタレン骨格を有するものに代え、ピレン骨格を有するものとしたものである。
このように、π共役拡張基１２’は、複数のベンゼン環が直線状又は平面状に縮合した構造を持つ縮合環化合物を採用することができる。
図１０（ｂ）は、π共役拡張基１２”として、ポルフィリン環を採用したものである。
図１０（ａ）は、π共役拡張基１２’として、実施形態のナフタレン骨格を有するものに代え、ピレン骨格を有するものとしたものである。
このように、π共役拡張基１２’は、複数のベンゼン環が直線状又は平面状に縮合した構造を持つ縮合環化合物を採用することができる。
図１０（ｂ）は、π共役拡張基１２”として、ポルフィリン環を採用したものである。
以上のように本実施形態は本発明を説明するための一例であり、本発明は前記した実施形態に限定されるものでなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、π共役平面体１１では、ポルフィリン骨格を有するものを例示したが、π共役結合による平面骨格を有する化合物であれば広く適用することができる。
またπ共役拡張基１２も、縮合環化合物やポルフィリン環を採用したものを例示したがπ共役結合による平面骨格を有する化合物であれば広く適用することができる。
またπ共役拡張基１２も、縮合環化合物やポルフィリン環を採用したものを例示したがπ共役結合による平面骨格を有する化合物であれば広く適用することができる。
１ 色素増感太陽電池
２ 透明電極
３ 対極
４ 多孔質層
５ 電解質
６ 金属酸化物（ＴｉＯ２）
１０ 色素
１１ π共役平面体
１２，１２’，１２” π共役拡張基
１３ 吸着基（化学吸着基）
Ｊｓｃ 短絡電流密度
Ｖｏｃ 開放電圧
２ 透明電極
３ 対極
４ 多孔質層
５ 電解質
６ 金属酸化物（ＴｉＯ２）
１０ 色素
１１ π共役平面体
１２，１２’，１２” π共役拡張基
１３ 吸着基（化学吸着基）
Ｊｓｃ 短絡電流密度
Ｖｏｃ 開放電圧
Claims (4)
- π共役系による平面骨格を有するとともに光照射により金属酸化物の伝導帯のエネルギー準位よりも高い励起状態を有するπ共役平面体と、
π共役系による平面骨格を有するとともに前記π共役平面体の縁端に結合しその平面骨格を拡張させるπ共役拡張基と、
前記π共役拡張基に結合するとともに前記金属酸化物の表面に吸着する吸着基と、を備えることを特徴とする色素。 - 前記π共役平面体はポルフィリン骨格を有するものであることを特徴とする請求項１に記載の色素。
- 前記π共役拡張基はナフタレン骨格を有するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の色素。
- 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の色素により表面修飾された前記金属酸化物の多孔質層を積層させた透明電極と、
前記多孔質層を挟んで前記透明電極に対向する対極と、
前記透明電極と前記対極との間に封入される電解質と、を備えることを特徴とする色素増感太陽電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007092583A JP4775963B2 (ja) | 2007-03-30 | 2007-03-30 | 色素及びこの色素を用いた色素増感太陽電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007092583A JP4775963B2 (ja) | 2007-03-30 | 2007-03-30 | 色素及びこの色素を用いた色素増感太陽電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2008248134A true JP2008248134A (ja) | 2008-10-16 |
| JP4775963B2 JP4775963B2 (ja) | 2011-09-21 |
Family
ID=39973463
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007092583A Expired - Fee Related JP4775963B2 (ja) | 2007-03-30 | 2007-03-30 | 色素及びこの色素を用いた色素増感太陽電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4775963B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013164970A (ja) * | 2012-02-10 | 2013-08-22 | Shimane Prefecture | 光増感色素ならびに該色素を含む金属酸化物半導体電極および色素増感太陽電池 |
| WO2014119320A1 (en) * | 2013-02-04 | 2014-08-07 | Sharp Kabushiki Kaisha | Dye-sensitized solar cell (dsc) with energy-donor enhancement, method for fabricating dsc and method for generating photocurrent using dsc |
| US9113535B2 (en) | 2010-06-30 | 2015-08-18 | The University Of Southern California | Fusing porphyrins with polycyclic aromatic hydrocarbons and heterocycles for optoelectronic applications |
| US10256421B2 (en) | 2010-06-30 | 2019-04-09 | University Of Southern California | Fusing porphyrins with polycyclic aromatic hydrocarbons and heterocycles for optoelectronic applications |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002063949A (ja) * | 2000-08-16 | 2002-02-28 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 色素増感太陽電池 |
| JP2005085659A (ja) * | 2003-09-10 | 2005-03-31 | Sony Corp | 光電変換素子およびその製造方法ならびに電子装置およびその製造方法ならびに半導体電極およびその製造方法ならびに環融合型ポルフィリン錯体ならびに複合光電変換装置 |
| JP2005236278A (ja) * | 2004-01-23 | 2005-09-02 | Kyoto Univ | 有機光電変換デバイス及び有機太陽電池 |
| JP2006100047A (ja) * | 2004-09-28 | 2006-04-13 | Kyocera Corp | 光電変換装置およびそれを用いた光発電装置 |
-
2007
- 2007-03-30 JP JP2007092583A patent/JP4775963B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002063949A (ja) * | 2000-08-16 | 2002-02-28 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 色素増感太陽電池 |
| JP2005085659A (ja) * | 2003-09-10 | 2005-03-31 | Sony Corp | 光電変換素子およびその製造方法ならびに電子装置およびその製造方法ならびに半導体電極およびその製造方法ならびに環融合型ポルフィリン錯体ならびに複合光電変換装置 |
| JP2005236278A (ja) * | 2004-01-23 | 2005-09-02 | Kyoto Univ | 有機光電変換デバイス及び有機太陽電池 |
| JP2006100047A (ja) * | 2004-09-28 | 2006-04-13 | Kyocera Corp | 光電変換装置およびそれを用いた光発電装置 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9113535B2 (en) | 2010-06-30 | 2015-08-18 | The University Of Southern California | Fusing porphyrins with polycyclic aromatic hydrocarbons and heterocycles for optoelectronic applications |
| US10256421B2 (en) | 2010-06-30 | 2019-04-09 | University Of Southern California | Fusing porphyrins with polycyclic aromatic hydrocarbons and heterocycles for optoelectronic applications |
| JP2013164970A (ja) * | 2012-02-10 | 2013-08-22 | Shimane Prefecture | 光増感色素ならびに該色素を含む金属酸化物半導体電極および色素増感太陽電池 |
| WO2014119320A1 (en) * | 2013-02-04 | 2014-08-07 | Sharp Kabushiki Kaisha | Dye-sensitized solar cell (dsc) with energy-donor enhancement, method for fabricating dsc and method for generating photocurrent using dsc |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4775963B2 (ja) | 2011-09-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sharma et al. | Dye-sensitized solar cells: fundamentals and current status | |
| Younas et al. | Performance enhancement of dye-sensitized solar cells via co-sensitization of ruthenium (II) based N749 dye and organic sensitizer RK1 | |
| Wang et al. | Multimolecular assemblies on high surface area metal oxides and their role in interfacial energy and electron transfer | |
| Sharma et al. | Enhancement of power conversion efficiency of dye-sensitized solar cells by co-sensitization of zinc-porphyrin and thiocyanate-free ruthenium (II)-terpyridine dyes and graphene modified TiO 2 photoanode | |
| Pashaei et al. | Transition metal complex redox shuttles for dye-sensitized solar cells | |
| Yun et al. | Recent advances in alternative counter electrode materials for Co-mediated dye-sensitized solar cells | |
| Hamann et al. | Advancing beyond current generation dye-sensitized solar cells | |
| Kong et al. | Review of recent progress in dye‐sensitized solar cells | |
| Vougioukalakis et al. | Contributions to the development of ruthenium-based sensitizers for dye-sensitized solar cells | |
| Lee et al. | Dye sensitized solar cells: TiO2 sensitization with a bodipy-porphyrin antenna system | |
| Yum et al. | Recent developments in solid‐state dye‐sensitized solar cells | |
| Park et al. | Photoelectrochemical properties of doubly β-functionalized porphyrin sensitizers for dye-sensitized nanocrystalline-TiO2 solar cells | |
| Srivishnu et al. | Cu (II/I) redox couples: potential alternatives to traditional electrolytes for dye-sensitized solar cells | |
| Hoffeditz et al. | One electron changes everything. A multispecies copper redox shuttle for dye-sensitized solar cells | |
| Rajakumar et al. | Photophysical properties and dye-sensitized solar cell studies on thiadiazole–triazole–chalcone dendrimers | |
| Colombo et al. | Coupling of zinc porphyrin dyes and copper electrolytes: A springboard for novel sustainable dye-sensitized solar cells | |
| Ghadari et al. | Phthalocyanine-silver nanoparticle structures for plasmon-enhanced dye-sensitized solar cells | |
| Stojanović et al. | The rise of dye‐sensitized solar cells: from molecular photovoltaics to emerging solid‐state photovoltaic technologies | |
| Yang et al. | Photoelectric properties of polyoxometalate-based thin films–Recent advances and future perspective | |
| Hamamura et al. | Dye-sensitized solar cells using ethynyl-linked porphyrin trimers | |
| Higashino et al. | Photovoltaic properties and long-term durability of porphyrin-sensitized solar cells with silicon-based anchoring groups | |
| Ooyama et al. | A new co-sensitization method employing D–π–A dye with pyridyl group and D–π–Cat dye with catechol unit for dye-sensitized solar cells | |
| Mahadik et al. | Aminonaphthoquinones as photosensitizers for mesoporous ZnO based dye-sensitized solar cells | |
| EP2272920B1 (en) | Dye for dye-sensitized solar cell and dye-sensitized solar cell including the same | |
| JP4775963B2 (ja) | 色素及びこの色素を用いた色素増感太陽電池 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20090313 |
|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20090313 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20090313 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20100929 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20101005 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20101201 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110104 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110307 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110405 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110603 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20110621 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20110624 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140708 Year of fee payment: 3 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |