JP2008274082A - Dye containing silicon-containing substituents and dye-sensitized solar cell using the dye - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、新規なポルフィリン誘導体およびポルフィリン錯体、ならびにこれらを色素として用いた色素増感太陽電池に関する。詳しくは、光エネルギー変換、特に色素増感太陽電池において、光電変換効率の良い増感色素として用いられるポルフィリン誘導体およびポルフィリン錯体に関する。 The present invention relates to a novel porphyrin derivative and porphyrin complex, and a dye-sensitized solar cell using these as a dye. Specifically, the present invention relates to porphyrin derivatives and porphyrin complexes used as sensitizing dyes with good photoelectric conversion efficiency in light energy conversion, particularly in dye-sensitized solar cells.
近年、化石燃料の枯渇、およびその燃焼による地球温暖化ガスの発生等の環境的要因、ならびに原油価格の変動といった経済的要因が引き金となり、安価でクリーンな代替エネルギーに関する研究が活発化している。その中でも、太陽光の有効利用を促進する太陽電池の技術開発は、シリコン太陽電池を中心にこれまで数多くの研究が行われてきた。その結果、シリコン太陽電池は世界中に普及しつつあり、近い将来高純度シリコン結晶の供給が需要増加に対応できない状況が予測されている。このようなシリコン太陽電池は、光電変換効率に優れ、ほぼ無限に存在する二酸化ケイ素を原料とすることができるという利点がある。しかしながら、現実には二酸化ケイ素から高純度に精製されたシリコン結晶を製造しなくてはならず、その際に莫大な電力が必要とされる。しかも、太陽電池を製造する工程では、高温処理や真空装置を必要とするため、結果的に高コストになるという問題も抱えている。 In recent years, environmental factors such as depletion of fossil fuels and generation of global warming gas due to combustion thereof, and economic factors such as fluctuations in crude oil prices have triggered, and research on cheap and clean alternative energy has become active. Among them, many researches on solar cell technology development that promotes the effective use of sunlight have been conducted mainly on silicon solar cells. As a result, silicon solar cells are spreading all over the world, and it is predicted that the supply of high-purity silicon crystals will not be able to meet the increase in demand in the near future. Such a silicon solar cell has an advantage that it is excellent in photoelectric conversion efficiency and can use silicon dioxide present almost infinitely as a raw material. However, in reality, silicon crystals purified to high purity from silicon dioxide must be produced, and enormous power is required. In addition, the process for manufacturing the solar cell requires a high-temperature treatment and a vacuum device, and as a result, has a problem of high cost.
そこで、これらの大規模な設備やエネルギーを必要とせず、簡素な素子構造を持ち、低コストで製造可能な太陽電池の開発が進められ、1991年にグレッツェルらによって色素増感太陽電池が開発された(例えば非特許文献1参照)。この太陽電池は、表面積の大きい多孔質二酸化チタン薄膜の表面に、ルテニウム錯体色素を吸着させた光作用電極と、白金をスパッタした導電性ガラス対極の間に、レドックス系を含む電解質液を満たして封入した簡素な構成である。しかしながら、用いられるルテニウム錯体は、色素増感太陽電池としては高い光電変換効率を示すものの、シリコン太陽電池と比較すると光電変換効率は低く、また用いられるルテニウムは、高価で希少な金属であるため、コスト上昇の要因となっている。そこで、ルテニウム錯体色素以上の光電変換効率と、低コストを両立する新規色素の探索が活発に行われている。 Therefore, development of a solar cell that does not require these large-scale facilities and energy, has a simple element structure, and can be manufactured at low cost is promoted. In 1991, a dye-sensitized solar cell was developed by Gretzell et al. (See Non-Patent Document 1, for example). In this solar cell, a surface of a porous titanium dioxide thin film having a large surface area is filled with an electrolyte solution containing a redox system between a photoactive electrode in which a ruthenium complex dye is adsorbed and a conductive glass counter electrode in which platinum is sputtered. It is a simple structure enclosed. However, although the ruthenium complex used shows high photoelectric conversion efficiency as a dye-sensitized solar cell, the photoelectric conversion efficiency is low compared to a silicon solar cell, and ruthenium used is an expensive and rare metal, This is a cause of cost increase. Therefore, a search for a new dye that achieves both a photoelectric conversion efficiency higher than that of the ruthenium complex dye and a low cost has been actively conducted.
具体的には、非貴金属元素を含有する錯体色素と、金属元素を含有しない有機色素に大別することができる。有機色素については、太陽光を効率よく利用する観点から、分子に長波長感度(吸収)を付与する必要があり、色素分子の共役系をできるだけ長くする手法が用いられる。しかしながら、ただ共役系を長くするだけでは、色素分子自体も巨大化して溶解度が下がるといった問題が生じる。すなわち、比較的コンパクトな分子構造であり、かつ可視領域に吸収を持つ長い共役系と、溶媒への適度な溶解度を併せ持つ骨格を基本とする色素であるのが好ましい。その点、ポルフィリン骨格またはフタロシアニン骨格を有する色素は、これらの条件を比較的充足した化合物群である。しかも、必要に応じて金属錯体を形成することもできるため、特性の変性が可能という特徴も有している。 Specifically, it can be broadly classified into complex dyes containing non-noble metal elements and organic dyes not containing metal elements. For organic dyes, from the viewpoint of efficiently using sunlight, it is necessary to impart long wavelength sensitivity (absorption) to the molecules, and a technique of making the conjugated system of the dye molecules as long as possible is used. However, simply increasing the length of the conjugated system causes the problem that the dye molecules themselves become larger and the solubility decreases. That is, it is preferably a dye based on a skeleton having a relatively compact molecular structure and a long conjugated system having absorption in the visible region and a moderate solubility in a solvent. In that respect, pigments having a porphyrin skeleton or a phthalocyanine skeleton are a group of compounds that relatively satisfy these conditions. Moreover, since a metal complex can be formed as necessary, the characteristics can be modified.
ポルフィリンを基本骨格とする色素は既に多数開示されている。それらを色素増感太陽電池用に最適化した化合物も幾つか開示されている(たとえば特許文献1参照)。最適化の方法としては、不安定なポルフィリンのメソ位をフェニルで置換して安定化した、テトラフェニルポルフィリンにおいて、さらにフェニルに各種置換基を導入し、色素同士の相互作用(自己消光)抑制や、電子状態変化による吸収範囲の拡大等の効果を発現させ、光電変換効率を向上させる例が多い。 Many dyes having a porphyrin as a basic skeleton have already been disclosed. Some compounds in which they are optimized for dye-sensitized solar cells are also disclosed (for example, see Patent Document 1). As an optimization method, in the tetraphenylporphyrin stabilized by replacing the meso position of the unstable porphyrin with phenyl, various substituents are further introduced into the phenyl to suppress the interaction (self-quenching) between the dyes. In many cases, the photoelectric conversion efficiency is improved by developing an effect such as expansion of the absorption range due to a change in electronic state.
その一例として、立体障害の大きいt−ブチル2つをフェニルに導入し、色素同士の会合と凝集を抑制しつつ、溶解度を改善したポルフィリン系色素が開示されている(特許文献2参照)。また、トリメチルシリルをベンゼン環上に導入したポルフィリン色素が開示されている(特許文献3参照)。この文献によれば、トリメチルシリル置換基はその立体的嵩高さとケイ素置換基の電子供与性により、色素増感太陽電池の光電変換効率が改善されるとの知見が示されている。しかしながら、検討されている含ケイ素ポルフィリンは、各フェニルあたりトリメチルシリルが1つ導入された化合物のみであり、各フェニルあたりトリメチルシリルを複数導入した分子、もしくはトリメチルシリル以外の含ケイ素置換基を有するポルフィリン誘導体で構成される色素は、未だ開発されていない。
これらポルフィリン誘導体およびポルフィリン錯体において、置換基の構造と置換位置によっては、立体障害の影響が少なくなり、色素分子間の会合および自己消光を誘発し、光電変換効率が低下する恐れがある。 In these porphyrin derivatives and porphyrin complexes, depending on the structure of the substituent and the substitution position, the influence of steric hindrance is reduced, and association between the dye molecules and self-quenching are induced, and the photoelectric conversion efficiency may be reduced.
したがって、本発明では、より置換基の立体障害の影響が大きい、メソ位のフェニルにケイ素原子を含む置換基を複数有する新規なポルフィリン誘導体およびポルフィリン錯体を提供することを課題の一つとする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a novel porphyrin derivative and porphyrin complex having a plurality of substituents containing a silicon atom in phenyl at the meso position, which are more affected by the steric hindrance of the substituent.
また、このようなポルフィリン誘導体またはポルフィリン錯体を増感色素として用いることにより、光電変換効率の高い色素増感太陽電池、および有機薄膜太陽電池を提供することを課題の一つとする。 Another object is to provide a dye-sensitized solar cell and an organic thin-film solar cell with high photoelectric conversion efficiency by using such a porphyrin derivative or a porphyrin complex as a sensitizing dye.
本発明者らは、テトラフェニルポルフィリンの各メソ位に位置するフェニルに、複数のシリル置換基を導入すれば、立体障害の影響による色素分子同士の会合抑制と、ケイ素の重原子効果による光吸収波長の広域化とを実現できるという観点から鋭意研究した。その結果、ケイ素原子を含む置換基を複数導入したフェニルを、各メソ位に有する新規なポルフィリン誘導体およびポルフィリン錯体を見出した。 The present inventors introduced a plurality of silyl substituents to phenyl located at each meso position of tetraphenylporphyrin, thereby suppressing association between dye molecules due to steric hindrance and light absorption due to the heavy atom effect of silicon. We have studied earnestly from the viewpoint of realizing a broad wavelength range. As a result, a novel porphyrin derivative and porphyrin complex having phenyls introduced with a plurality of substituents containing a silicon atom at each meso position were found.
さらに、これら新規なポルフィリン誘導体およびポルフィリン錯体は、光電変換効率、および溶媒への溶解性等に優れ、色素増感太陽電池の増感色素、または有機薄膜太陽電池の電子供与体として有用であることを見出し、本発明を完成するに至った。 Furthermore, these novel porphyrin derivatives and porphyrin complexes are excellent in photoelectric conversion efficiency, solubility in solvents, etc., and are useful as sensitizing dyes for dye-sensitized solar cells or electron donors for organic thin-film solar cells. As a result, the present invention has been completed.
本発明のポルフィリン誘導体は式(1)で表されることを特徴としている。 The porphyrin derivative of the present invention is represented by the formula (1).
式(1)中、R1、R2およびR3はそれぞれ独立して炭素数1〜20のアルキル、炭素
数1〜20のアルコキシまたは炭素数6〜20のアリールであり、a、bおよびcはそれぞれ独立して2〜5の整数であり、dは1〜5の整数である。
In the formula (1), R 1 , R 2 and R 3 are each independently alkyl having 1 to 20 carbons, alkoxy having 1 to 20 carbons or aryl having 6 to 20 carbons, and a, b and c Are each independently an integer of 2 to 5, and d is an integer of 1 to 5.
前記式(1)中、R1、R2およびR3がそれぞれ独立してメチル、エチル、プロピル、
ブチルまたはフェニルであってもよく、さらにR1、R2およびR3がそれぞれ独立してメ
チル、ブチル、フェニルであってもよい。
In the formula (1), R 1 , R 2 and R 3 are each independently methyl, ethyl, propyl,
It may be butyl or phenyl, and R 1 , R 2 and R 3 may be each independently methyl, butyl or phenyl.
さらに、前記式(1)中、a、bおよびcが2であり、dが1であるのが望ましい。
また、本発明のポルフィリン誘導体は式(2)で表されることを特徴としている。
Further, in the formula (1), it is desirable that a, b and c are 2 and d is 1.
The porphyrin derivative of the present invention is characterized by being represented by the formula (2).
本発明のポルフィリン錯体は、これらポルフィリン誘導体と、金属元素とからなることを特徴としている。
前記金属元素は、亜鉛または銅であるのが望ましい。
The porphyrin complex of the present invention is characterized by comprising these porphyrin derivatives and a metal element.
The metal element is preferably zinc or copper.
また、本発明の有機薄膜太陽電池は、これらポルフィリン誘導体、またはポルフィリン錯体を電子供与体として用いることを特徴としている。
さらに本発明の色素増感太陽電池は、これらポルフィリン誘導体、またはポルフィリン
錯体を増感色素として用いることを特徴としている。
The organic thin film solar cell of the present invention is characterized by using these porphyrin derivatives or porphyrin complexes as electron donors.
Furthermore, the dye-sensitized solar cell of the present invention is characterized by using these porphyrin derivatives or porphyrin complexes as sensitizing dyes.
本発明のポルフィリン誘導体は、各フェニルあたり複数の含ケイ素置換基が導入されているため、光電変換効率、および有機溶媒への溶解性等の優れた特性を有している。その優れた溶解性により、比較的安全な溶媒で高濃度の色素溶液を調製することが可能である。得られた高濃度の色素溶液に多孔質半導体電極を浸漬すれば、短時間の処理で電極上により多くの色素を吸着させることが可能である。また、ポルフィリン自体が多様な金属元素と容易に錯体を形成する性質を有することから、本発明のポルフィリン錯体は、要求特性に応じて光化学的性質を容易に調整することができる。 The porphyrin derivative of the present invention has excellent characteristics such as photoelectric conversion efficiency and solubility in an organic solvent because a plurality of silicon-containing substituents are introduced for each phenyl. Due to its excellent solubility, it is possible to prepare a high concentration dye solution with a relatively safe solvent. If the porous semiconductor electrode is immersed in the resulting high concentration dye solution, more dye can be adsorbed on the electrode in a short time. Moreover, since the porphyrin itself has the property of easily forming complexes with various metal elements, the porphyrin complex of the present invention can easily adjust the photochemical properties according to the required properties.
したがって、本発明のポルフィリン誘導体およびポルフィリン錯体は、従来のポルフィリン系色素に比べ、優れた光電変換効率と波長吸収特性とが求められる光電変換素子用材料、特に色素増感太陽電池の増感色素、または有機薄膜太陽電池の電子供与体として有用である。 Therefore, the porphyrin derivative and the porphyrin complex of the present invention are materials for photoelectric conversion elements that are required to have excellent photoelectric conversion efficiency and wavelength absorption characteristics as compared with conventional porphyrin-based dyes, in particular, sensitizing dyes for dye-sensitized solar cells, Or it is useful as an electron donor of an organic thin-film solar cell.
さらに、これらのポルフィリン誘導体またはポルフィリン錯体を光電変換素子用材料として用いた色素増感太陽電池または有機薄膜太陽電池は、良好な発電を行うことが可能である。 Furthermore, a dye-sensitized solar cell or an organic thin-film solar cell using these porphyrin derivatives or porphyrin complexes as a material for a photoelectric conversion element can perform good power generation.
次に、本発明のポルフィリン誘導体およびポルフィリン錯体について具体的に説明する。
<本発明のポルフィリン誘導体>
本発明のポルフィリン誘導体は式(1)で表されることを特徴としている。
Next, the porphyrin derivative and porphyrin complex of the present invention will be specifically described.
<Porphyrin derivative of the present invention>
The porphyrin derivative of the present invention is represented by the formula (1).
式(1)中、R1、R2およびR3はそれぞれ独立して炭素数1〜20のアルキル、炭素
数1〜20のアルコキシまたは炭素数6〜20のアリールであれば特に限定されず、これらは置換されていても非置換であってもよい。
In formula (1), R 1 , R 2 and R 3 are not particularly limited as long as they are each independently alkyl having 1 to 20 carbons, alkoxy having 1 to 20 carbons or aryl having 6 to 20 carbons, These may be substituted or unsubstituted.
前記アルキルとしては、具体的には、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、1,1,2−トリメチルプロピル、ヘプチル、オクチル、2,4,4−トリメチルペンチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシル、テトラデシル、ヘキサデシル、
オクタデシル、エイコシルなどのアルキル;
シクロブチル、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロヘプチル、シクロオクチル、デカリルなどのシクロアルキル;
3,3,3−トリフルオロプロピル、3,3,4,4,5,5,6,6,6−ノナデカフルオロヘキシル、トリデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロオクチル、ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロデシル、パーフルオロ−1H,1H,2H,2H−ドデシル、パーフルオロ−1H,1H,2H,2H−テトラデシルなどのフルオロアルキルを挙げることができる。
Specific examples of the alkyl include methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, 1,1,2-trimethylpropyl, heptyl, octyl, 2,4,4-trimethylpentyl, nonyl, decyl, undecyl, Dodecyl, tetradecyl, hexadecyl,
Alkyls such as octadecyl and eicosyl;
Cycloalkyl such as cyclobutyl, cyclopentyl, cyclohexyl, cycloheptyl, cyclooctyl, decalyl;
3,3,3-trifluoropropyl, 3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonadecafluorohexyl, tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl, heptadeca Fluoroalkyl such as fluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl, perfluoro-1H, 1H, 2H, 2H-dodecyl, perfluoro-1H, 1H, 2H, 2H-tetradecyl can be mentioned.
また、これらアルキルは、直鎖であっても、分岐鎖であってもよく、また、炭素鎖中に不飽和結合を有するアルキル(一般にアルケニルと呼ばれる)であってもよい。具体的には、エテニル、2−プロペニル、3−ブテニル、5−ヘキセニル、7−オクテニル、10−ウンデセニルが挙げられる。 These alkyls may be linear or branched, and may be alkyl having an unsaturated bond in the carbon chain (generally called alkenyl). Specific examples include ethenyl, 2-propenyl, 3-butenyl, 5-hexenyl, 7-octenyl, and 10-undecenyl.
前記アルコキシとしては、具体的には、3−メトキシプロピル、メトキシエトキシウンデシル、3−ヘプタフルオロイソプロポキシプロピルなどを挙げることができる。
前記アリールとしては、具体的には、フェニル、ナフチル、アントニル、フルオリル、ペンタフルオロフェニル、4−フルオロフェニル、4−クロロフェニル、4−ブロモフェニル、4−メチルフェニル、4−エチルフェニル、4−プロピルフェニル、4−ブチルフェニル、4−ペンチルフェニル、4−ヘプチルフェニル、4−オクチルフェニル、4−ノニルフェニル、4−デシルフェニル、2,4−ジメチルフェニル、2,4,6−トリメチルフェニル、2,4,6−トリエチルフェニル、4−(1−メチルエチル)フェニル、4−(1,1−ジメチルエチル)フェニル、4−(2−エチルヘキシル)フェニル、2,4,6−トリス(1−メチルエチル)フェニル、4−メトキシフェニル、4−エトキシフェニル、4−プロポキシフェニル、4−ブトキシフェニル、4−ペンチルオキシフェニル、4−ヘプチルオキシフェニル、4−デシルオキシフェニル、4−オクタデシルオキシフェニル、4−(1−メチルエトキシ)フェニル、4−(2−メチルプロポキシ)フェニル、4−(1,1−ジメチルエトキシ)フェニル、4−エテニルフェニル、4−(1−メチルエテニル)フェニル、4−(3−ブテニル)フェニルなどを挙げることができる。
Specific examples of the alkoxy include 3-methoxypropyl, methoxyethoxyundecyl, and 3-heptafluoroisopropoxypropyl.
Specific examples of the aryl include phenyl, naphthyl, anthonyl, fluoryl, pentafluorophenyl, 4-fluorophenyl, 4-chlorophenyl, 4-bromophenyl, 4-methylphenyl, 4-ethylphenyl, and 4-propylphenyl. 4-butylphenyl, 4-pentylphenyl, 4-heptylphenyl, 4-octylphenyl, 4-nonylphenyl, 4-decylphenyl, 2,4-dimethylphenyl, 2,4,6-trimethylphenyl, 2,4 , 6-triethylphenyl, 4- (1-methylethyl) phenyl, 4- (1,1-dimethylethyl) phenyl, 4- (2-ethylhexyl) phenyl, 2,4,6-tris (1-methylethyl) Phenyl, 4-methoxyphenyl, 4-ethoxyphenyl, 4-propoxyphenyl 4-butoxyphenyl, 4-pentyloxyphenyl, 4-heptyloxyphenyl, 4-decyloxyphenyl, 4-octadecyloxyphenyl, 4- (1-methylethoxy) phenyl, 4- (2-methylpropoxy) phenyl, 4 -(1,1-dimethylethoxy) phenyl, 4-ethenylphenyl, 4- (1-methylethenyl) phenyl, 4- (3-butenyl) phenyl and the like can be mentioned.
これらの中で、原料入手が容易である低級(炭素数1〜6)アルキル、または炭素数6〜10のアリールが好ましい。より好ましいのは、メチル、エチル、プロピル、ブチルまたはフェニルであり、さらに好ましいのは、メチル、ブチルまたはフェニルである。 Of these, lower (C1-6) alkyl or C6-10 aryl, which are easily available, are preferable. More preferred is methyl, ethyl, propyl, butyl or phenyl, and even more preferred is methyl, butyl or phenyl.
式(1)中、a、bおよびcはそれぞれ独立して2〜5の整数、好ましくは2〜3の整数、より好ましくは2である。また、含ケイ素置換基が対称性の高い配置となるような態様であるのが望ましい。具体的には、下記式(a)〜(e)のいずれかで表される含ケイ素置換基の態様である。式(a)〜(e)中、フェニル上の遊離の結合手はポルフィリン骨格のメソ位(5位、10位、20位)に連結することを示している。 In formula (1), a, b and c are each independently an integer of 2 to 5, preferably an integer of 2 to 3, more preferably 2. In addition, it is desirable that the silicon-containing substituent has a highly symmetrical arrangement. Specifically, it is an embodiment of a silicon-containing substituent represented by any of the following formulas (a) to (e). In the formulas (a) to (e), the free bond on the phenyl is linked to the meso position (5-position, 10-position, 20-position) of the porphyrin skeleton.
式(1)中、dは1〜5の整数、好ましくは1〜2の整数、より好ましくは1である。本発明のポルフィリン誘導体において、式(1)中のカルボキシルは酸化チタン表面に色素となるポルフィリン誘導体を固定し、該ポルフィリン誘導体に光作用電極としての機能を付与する上で必須となる置換基である。置換位置は、ポルフィリン骨格のメソ位(15位)に対してパラ位であるのが好ましい。 In Formula (1), d is an integer of 1-5, Preferably it is an integer of 1-2, More preferably, it is 1. In the porphyrin derivative of the present invention, the carboxyl in the formula (1) is an essential substituent for fixing the porphyrin derivative serving as a dye on the titanium oxide surface and imparting the function as a photoactive electrode to the porphyrin derivative. . The substitution position is preferably para to the meso position (15th position) of the porphyrin skeleton.
これら本発明のポルフィリン誘導体の好ましい一態様として、式(1)中の、R1、R2およびR3がメチルであり、かつa、bおよびcが2であり、dが1であるポルフィリン
誘導体、すなわち式(2)で表されるポルフィリン誘導体が挙げられる。
As a preferred embodiment of these porphyrin derivatives of the present invention, a porphyrin derivative in which R 1 , R 2 and R 3 in formula (1) are methyl, a, b and c are 2, and d is 1 That is, the porphyrin derivative represented by Formula (2) is mentioned.
本発明のポルフィリン誘導体は、種々の有機化学的手法で製造することが可能である。なかでも、ケイ素置換基を有するベンズアルデヒド誘導体、カルボン酸エステルを有するベンズアルデヒド誘導体、およびピロールを酸触媒の存在下で脱水縮合して環化させた後、化学的に酸化して合成する方法(通称Lindsey法)が最も一般的である。 The porphyrin derivative of the present invention can be produced by various organic chemical techniques. Among them, a method of synthesizing a benzaldehyde derivative having a silicon substituent, a benzaldehyde derivative having a carboxylic acid ester, and pyrrole by dehydration condensation in the presence of an acid catalyst, followed by chemical oxidation (commonly known as Lindsey). Law) is the most common.
また、プロピオン酸等の有機酸溶液中、高温下でケイ素置換基を有するベンズアルデヒド誘導体、カルボン酸エステルを有するベンズアルデヒド誘導体、およびピロールを反応させてもよい。次いで、カルボン酸エステルを加水分解等により脱保護すれば、目的とするポルフィリン誘導体を得ることができる。 Further, a benzaldehyde derivative having a silicon substituent, a benzaldehyde derivative having a carboxylic acid ester, and pyrrole may be reacted in an organic acid solution such as propionic acid at a high temperature. Subsequently, if the carboxylic acid ester is deprotected by hydrolysis or the like, the target porphyrin derivative can be obtained.
これらの一例として、式(2)で表されるポルフィリン誘導体の合成法(Lindsey法)を以下の反応式に示す。 As an example of these, a synthesis method (Lindsey method) of a porphyrin derivative represented by the formula (2) is shown in the following reaction formula.
上記反応式に示されるように、ケイ素置換基を有するベンズアルデヒド誘導体、カルボン酸エステルを有するベンズアルデヒド誘導体、およびピロールを酸触媒の存在下で脱水縮合して環化させる。次いで、得られた環化生成物を化学的に酸化させて共役系を形成させることにより、本発明のポルフィリン誘導体の前駆体であるカルボン酸エステルを得る。その後、得られたカルボン酸エステルを脱保護することにより、本発明のポルフィリン誘導体を得る。 As shown in the above reaction formula, a benzaldehyde derivative having a silicon substituent, a benzaldehyde derivative having a carboxylic acid ester, and pyrrole are cyclized by dehydration condensation in the presence of an acid catalyst. Subsequently, the obtained cyclized product is chemically oxidized to form a conjugated system, thereby obtaining a carboxylic acid ester which is a precursor of the porphyrin derivative of the present invention. Then, the porphyrin derivative of this invention is obtained by deprotecting the obtained carboxylic acid ester.
前記溶媒としては、ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、1,2−ジクロロエタン等の含ハロゲン溶媒、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン(以下、THFという)、ジオキサン等のエーテル類、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の芳香族炭化水素、およびそのハロゲン置換体を用いることができる。なかでも、クロロホルム、またはTHFが好ましい。 Examples of the solvent include halogen-containing solvents such as dichloromethane, chloroform, carbon tetrachloride, and 1,2-dichloroethane, ethers such as diethyl ether, tetrahydrofuran (hereinafter referred to as THF), dioxane, benzene, toluene, xylene, chlorobenzene, and dioxane. Aromatic hydrocarbons such as chlorobenzene and halogen-substituted products thereof can be used. Of these, chloroform or THF is preferable.
前記酸触媒としては、三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体、p−トルエンスルホン酸、トリフルオロ酢酸等の強酸性有機化合物が好ましい。
前記環化生成物を酸化させるには、脱水素剤を用いる。この脱水素剤としては、パラクロラニル、2,3−ジクロロ−5,6−ジシアノ−1,4−ベンゾキノンが好ましい。
The acid catalyst is preferably a strongly acidic organic compound such as boron trifluoride diethyl ether complex, p-toluenesulfonic acid, trifluoroacetic acid or the like.
A dehydrogenating agent is used to oxidize the cyclized product. As this dehydrogenating agent, parachloranil and 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone are preferable.
一般に、これら脱水縮合反応および酸化反応を段階的に実施する。この際、まず酸触媒を加えて30分〜24時間反応させた後、脱水素剤を加えて30分〜24時間かけて撹拌するのが好ましい。反応温度は、通常−20〜120℃であればよく、好ましくは20(室温)〜60℃である。 Generally, these dehydration condensation reaction and oxidation reaction are carried out stepwise. At this time, it is preferable to first add an acid catalyst and react for 30 minutes to 24 hours, and then add a dehydrogenating agent and stir for 30 minutes to 24 hours. The reaction temperature may normally be −20 to 120 ° C., preferably 20 (room temperature) to 60 ° C.
前記カルボン酸エステルを脱保護する条件は該エステルの種類によって異なるが、アルカリ加水分解で脱保護可能な基で置換されたエステルであるのが好ましく、具体的には、メチル、エチル、ベンジル、フェニルエステル等の基で置換されたエステルが挙げられる。前記アルカリ加水分解の溶媒としては、メタノール、エタノール、2−プロパノール、THF、ジオキサン、およびこれらの混合溶媒が挙げられ、なかでも2−プロパノール、
THFが好ましい。塩基としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムの水溶液が好ましい。反応温度は、通常20(室温)〜100℃であればよい。また、反応時間は、通常1〜12時間であればよく、好ましくは3〜6時間である。
The conditions for deprotecting the carboxylic acid ester vary depending on the type of the ester, but are preferably esters substituted with a group that can be deprotected by alkaline hydrolysis, specifically, methyl, ethyl, benzyl, phenyl Examples include esters substituted with groups such as esters. Examples of the alkali hydrolysis solvent include methanol, ethanol, 2-propanol, THF, dioxane, and mixed solvents thereof. Among them, 2-propanol,
THF is preferred. As the base, an aqueous solution of lithium hydroxide, sodium hydroxide, or potassium hydroxide is preferable. The reaction temperature may usually be 20 (room temperature) to 100 ° C. Moreover, reaction time should just be normally 1 to 12 hours, Preferably it is 3 to 6 hours.
さらに、前記カルボン酸エステルはアルカリ加水分解以外の条件で脱保護される基で置換されたエステルであってもよく、具体的には、接触還元で除去できるベンジルエステル、酸開裂型のt−ブチルエステル等が挙げられる。 Further, the carboxylic acid ester may be an ester substituted with a group that is deprotected under conditions other than alkaline hydrolysis. Specifically, benzyl ester that can be removed by catalytic reduction, acid-cleavable t-butyl Examples include esters.
<本発明のポルフィリン錯体>
本発明のポルフィリン錯体は、上記本発明のポルフィリン誘導体と、金属元素とからなることを特徴としている。本発明のポルフィリン錯体において、中心に配位する金属元素は、公知のポルフィリン類と錯体形成能を有するものであれば特に制限はない。
<Porphyrin Complex of the Present Invention>
The porphyrin complex of the present invention is characterized by comprising the porphyrin derivative of the present invention and a metal element. In the porphyrin complex of the present invention, the metal element coordinated at the center is not particularly limited as long as it has a complex forming ability with known porphyrins.
これら金属元素としては、具体的には、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ディスプロジウム、ホロミウム、錫、イッテルビウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、トリウム、ウラン、マンガン、クロム、鉄、コバルト、亜鉛、モリブデン、ニッケル、ロジウム等が挙げられる。これらの中でも、銅、チタン、ニッケル、鉄、亜鉛が好ましく、銅または亜鉛がより好ましい。 Specific examples of these metal elements include magnesium, calcium, strontium, barium, scandium, yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprodium, holmium, tin, ytterbium, titanium, Zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, thorium, uranium, manganese, chromium, iron, cobalt, zinc, molybdenum, nickel, rhodium, and the like can be given. Among these, copper, titanium, nickel, iron, and zinc are preferable, and copper or zinc is more preferable.
本発明のポルフィリン錯体は、本発明のポルフィリン誘導体、および金属塩酸塩または金属酢酸塩等を適当な溶媒中で混合することにより、容易に調製することができる。その一例として、式(2)で表されるポルフィリン誘導体と酢酸亜鉛との反応式を以下に示す。なお、下記式において、TMSは、−Si(CH3)3を示す。 The porphyrin complex of the present invention can be easily prepared by mixing the porphyrin derivative of the present invention and metal hydrochloride or metal acetate in an appropriate solvent. As an example, a reaction formula between the porphyrin derivative represented by the formula (2) and zinc acetate is shown below. In the following formula, TMS represents —Si (CH 3 ) 3 .
<本発明の色素増感太陽電池および有機薄膜太陽電池>
本発明の色素増感太陽電池は、透明導電膜を有する透明基板と、その対極となる別の導電性基板の間に、本発明のポルフィリン誘導体またはポルフィリン錯体(以下、本発明の増感色素ともいう)を担持した光作用電極を設け、ここにレドックス系を含む電解質層を封入した構造であることを特徴としている。
<Dye-sensitized solar cell and organic thin-film solar cell of the present invention>
The dye-sensitized solar cell of the present invention comprises a porphyrin derivative or a porphyrin complex of the present invention (hereinafter also referred to as a sensitizing dye of the present invention) between a transparent substrate having a transparent conductive film and another conductive substrate as its counter electrode. It is characterized by a structure in which a photo-active electrode carrying a redox system is provided and an electrolyte layer containing a redox system is enclosed therein.
本発明の色素増感太陽電池において、前記光作用電極として用いる半導体層は、式(1)または(2)で表されるポルフィリン誘導体、または該誘導体と金属元素とからなるポルフィリン錯体の1種、もしくは2種以上を同時に担持させる。これら本発明の増感色素と、さらに、公知の増感色素、具体的にはルテニウム−ビピリジン錯体、クマリン類、メチン系の有機色素、フタロシアニン誘導体等とを組み合わせて用いてもよい。 In the dye-sensitized solar cell of the present invention, the semiconductor layer used as the photoactive electrode is a porphyrin derivative represented by the formula (1) or (2), or one type of porphyrin complex composed of the derivative and a metal element, Alternatively, two or more kinds are supported simultaneously. These sensitizing dyes of the present invention may be used in combination with known sensitizing dyes, specifically, ruthenium-bipyridine complexes, coumarins, methine organic dyes, phthalocyanine derivatives, and the like.
このような半導体層は、前記増感色素を担持させた酸化物半導体であるのが好ましい。
前記酸化物半導体としては、具体的には、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ジルコニウム等の金属酸化物、またはチタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム等のペロブスカイト系酸化物を挙げることができる。
Such a semiconductor layer is preferably an oxide semiconductor carrying the sensitizing dye.
Specific examples of the oxide semiconductor include metal oxides such as titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, and zirconium oxide, and perovskite oxides such as strontium titanate and calcium titanate.
さらに、前記半導体層は多孔質の状態であるのが好ましい。半導体層を多孔質の状態とする方法は既に数多く開示されている。たとえば、チタンイソプロポキシドを酸性溶液中で水熱反応させ、酸化チタンのコロイド溶液とした後、該溶液と粘結剤とを混合し、次いでボールミル等で均一にする。これをスクリーン印刷等で基板に製膜した後、高温焼結することにより多孔質の半導体薄膜を得る方法が挙げられる。 Furthermore, the semiconductor layer is preferably in a porous state. Many methods for making a semiconductor layer porous have already been disclosed. For example, titanium isopropoxide is hydrothermally reacted in an acidic solution to form a colloidal solution of titanium oxide, and then the solution and a binder are mixed, and then made uniform with a ball mill or the like. A method of obtaining a porous semiconductor thin film by forming a film on a substrate by screen printing or the like and then sintering it at a high temperature can be mentioned.
このようにして得られた多孔質の半導体薄膜に、本発明の増感色素をより多く担持させるのが好ましい。そのためには、これら増感色素を適当な有機溶媒に溶解し、この溶液中に前記半導体薄膜を浸漬すればよい。増感色素が充分に吸着するまで放置し、これを取り出して乾燥する方法がより好ましい。 The porous semiconductor thin film thus obtained is preferably loaded with a larger amount of the sensitizing dye of the present invention. For this purpose, these sensitizing dyes may be dissolved in a suitable organic solvent, and the semiconductor thin film may be immersed in this solution. A method in which the sensitizing dye is left until it is sufficiently adsorbed, taken out and dried is more preferable.
透明導電膜を有する透明基板としては、ガラス、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリシルセスキオキサン等の耐熱性基板上に、酸化スズ−インジウム合金(ITO)、酸化スズ、または酸化インジウムのような透明電極の薄膜を形成した基板、またはフッ素をドープした導電性ガラスを挙げることができる。 As a transparent substrate having a transparent conductive film, on a heat resistant substrate such as glass, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polysilsesquioxane, tin oxide-indium alloy (ITO), tin oxide, or indium oxide. Examples thereof include a substrate on which a transparent electrode thin film is formed, or a conductive glass doped with fluorine.
対極となる導電性基板としては、アルミニウム、銀、スズ、インジウムのような公知の材料を任意に用いてもよい。これらの中でも、酸化型レドックスイオンの還元反応を促進する性質を有する材料であるのが好ましく、具体的には、白金、ロジウム、ルテニウム、酸化ルテニウム、カーボン等が挙げられる。 As the conductive substrate serving as the counter electrode, a known material such as aluminum, silver, tin, or indium may be arbitrarily used. Among these, a material having a property of promoting the reduction reaction of oxidized redox ions is preferable, and specific examples thereof include platinum, rhodium, ruthenium, ruthenium oxide, and carbon.
両電極間に封入される電解質としては、太陽電池の電解質液として公知のものを任意に採用することができる。多く採用される電解質としては、具体的には、ヨウ素とヨウ化カリウムとをカーボネート系の溶媒に溶解したものが挙げられる。近年、イミダゾールのテトラフルオロホウ酸塩に代表される、いわゆるイオン性液体を電解質として用いた例も開示されているが、これらのいずれを用いてもよい。 As an electrolyte sealed between both electrodes, a well-known thing can be arbitrarily employ | adopted as an electrolyte solution of a solar cell. Specific examples of the electrolyte that is often used include an electrolyte in which iodine and potassium iodide are dissolved in a carbonate-based solvent. In recent years, examples in which a so-called ionic liquid represented by tetrafluoroborate of imidazole is used as an electrolyte have been disclosed, and any of these may be used.
また、本発明のポルフィリン誘導体またはポルフィリン錯体は、電子供与体としても優れた性能を有するため、これらを用いて上記と同様の方法により有機薄膜を形成し、有機薄膜太陽電池を得ることもできる。 Moreover, since the porphyrin derivative or porphyrin complex of the present invention has excellent performance as an electron donor, an organic thin film can be obtained by using these to form an organic thin film by the same method as described above.
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例によって何ら限定されるものではない。
なお、各化合物の物性は以下の方法で測定した。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited at all by these Examples.
In addition, the physical property of each compound was measured with the following method.
融点:偏光顕微鏡にホットステージ(メトラー社製FP−82)を装着して、毎分5℃の昇温速度で測定した。
プロトンNMRスペクトル(1H−NMR):日本電子株式会社製JNM−GSX4
00を使用し、400MHzで溶媒にクロロホルム−dを用い、内部標準物質にテトラメチルシランを用いて室温下で測定した。
Melting point: A polarizing microscope was equipped with a hot stage (FP-82 manufactured by METTLER) and measured at a rate of temperature increase of 5 ° C. per minute.
Proton NMR spectrum ( 1 H-NMR): JNM-GSX4 manufactured by JEOL Ltd.
00, using chloroform-d as a solvent at 400 MHz and tetramethylsilane as an internal standard substance, and measuring at room temperature.
[実施例1]:5−(4−カルボキシフェニル)−10,15,20−トリス(3,5−ジトリメチルシリル)ポルフィリン(式(2)で表されるポルフィリン誘導体)の合成
以下、各工程ごとに詳細な説明を行う。
[Example 1]: Synthesis of 5- (4-carboxyphenyl) -10,15,20-tris (3,5-ditrimethylsilyl) porphyrin (porphyrin derivative represented by the formula (2)) Detailed explanation will be given.
1):3,5−ビス(トリメチルシリル)ブロモベンゼン(化合物A)の合成(D. Wrobel et al, J. Organomet. Chem, 225, 203 (1982)に準拠)
温度計、冷却管および滴下漏斗をつけた500ml三つ口フラスコに、マグネシウム(7.7g,0.32mol)、およびマグネシウムが浸る程度のTHF(テトラヒドロフラン)をとり、窒素雰囲気下、室温で撹拌した。1,3,5−トリブロモベンゼン(50g,0.16mol)を160mlのTHFに溶かした溶液を、前記三つ口フラスコにまず少量滴下した。反応開始後、60℃以下の温度で残りを滴下し、引き続き室温で2時間撹拌した。次いで、トリメチルシリルクロライド(34.8g,0.32mol)を室温で滴下し、滴下終了後、約1時間還流した。反応液を室温に戻した後、該反応液を大量の塩化アンモニウム溶液中に投入して反応を停止させ、酢酸エチルで2回抽出した。有機層を純水洗浄して硫酸マグネシウムで乾燥後、乾燥剤をろ別して減圧濃縮した。得られた残渣を減圧蒸留して69〜75℃/0.2kPaの留分をとり、無色液体の化合物Aを16.1g(0.054mol、収率33.7%)得た。
1) Synthesis of 3,5-bis (trimethylsilyl) bromobenzene (compound A) (according to D. Wrobel et al, J. Organomet. Chem, 225 , 203 (1982))
In a 500 ml three-necked flask equipped with a thermometer, a condenser tube and a dropping funnel, magnesium (7.7 g, 0.32 mol) and THF (tetrahydrofuran) soaked in magnesium were taken and stirred at room temperature in a nitrogen atmosphere. . A small amount of a solution of 1,3,5-tribromobenzene (50 g, 0.16 mol) dissolved in 160 ml of THF was first dropped into the three-necked flask. After the start of the reaction, the remainder was added dropwise at a temperature of 60 ° C. or lower, followed by stirring at room temperature for 2 hours. Next, trimethylsilyl chloride (34.8 g, 0.32 mol) was added dropwise at room temperature, and the mixture was refluxed for about 1 hour after the completion of the addition. After returning the reaction solution to room temperature, the reaction solution was poured into a large amount of ammonium chloride solution to stop the reaction, and extracted twice with ethyl acetate. The organic layer was washed with pure water and dried over magnesium sulfate, and then the desiccant was filtered off and concentrated under reduced pressure. The obtained residue was distilled under reduced pressure to obtain a fraction of 69 to 75 ° C./0.2 kPa, thereby obtaining 16.1 g (0.054 mol, yield 33.7%) of Compound A as a colorless liquid.
得られた化合物を1H−NMRにて確認した;
1H−NMR(400MHz,CDCl3) δ 0.29(s,18H), 7.42(t,1H), 7.49(d,2H)。
The obtained compound was confirmed by 1 H-NMR;
1 H-NMR (400 MHz, CDCl 3 ) δ 0.29 (s, 18H), 7.42 (t, 1H), 7.49 (d, 2H).
2):3,5−ビス(トリメチルシリル)ベンズアルデヒド(化合物B)の合成
温度計、冷却管、および滴下漏斗をつけた200ml三つ口フラスコに、マグネシウム(1.4g,0.058mol)、およびマグネシウムが浸る程度のTHFをとり、窒素雰囲気下、室温で撹拌した。ここに、1)で得られた化合物A(15.9g,0.053mol)を30mlのTHFに溶かした溶液を、前記三つ口フラスコに少量滴下した。反応開始後、50℃以下の温度で残りを滴下し、引き続き室温で2時間撹拌した。次いで、ジメチルホルムアミド(4.64g,0.064mol)のTHF溶液を室温で滴下し、室温で一晩撹拌した。反応液を大量の塩化アンモニウム溶液中に投入して反応を停止させ、酢酸エチルで2回抽出した。有機層を純水洗浄して硫酸マグネシウムで乾燥後、乾燥剤をろ別して減圧濃縮した。得られた残渣を減圧蒸留して79〜85℃/0.2kPaの留分をとった。この液体を冷蔵保存し、白色固体の化合物Bを3.81g(0.015mol、収率28.6%、融点:64.3〜65.4℃)得た。
2): Synthesis of 3,5-bis (trimethylsilyl) benzaldehyde (Compound B) Into a 200 ml three-necked flask equipped with a thermometer, a condenser tube, and a dropping funnel, magnesium (1.4 g, 0.058 mol) and magnesium Was taken up at a room temperature under a nitrogen atmosphere. A small amount of a solution obtained by dissolving compound A (15.9 g, 0.053 mol) obtained in 1) in 30 ml of THF was dropped into the three-necked flask. After the start of the reaction, the remainder was added dropwise at a temperature of 50 ° C. or lower, followed by stirring at room temperature for 2 hours. Then, a THF solution of dimethylformamide (4.64 g, 0.064 mol) was added dropwise at room temperature, and the mixture was stirred overnight at room temperature. The reaction solution was poured into a large amount of ammonium chloride solution to stop the reaction, and extracted twice with ethyl acetate. The organic layer was washed with pure water and dried over magnesium sulfate, and then the desiccant was filtered off and concentrated under reduced pressure. The obtained residue was distilled under reduced pressure to obtain a fraction of 79 to 85 ° C./0.2 kPa. This liquid was stored in a refrigerator to obtain 3.81 g (0.015 mol, yield 28.6%, melting point: 64.3 to 65.4 ° C.) of white solid compound B.
得られた化合物を1H−NMRにて確認した;
1H−NMR(400MHz,CDCl3) δ 0.33(s,18H), 7.79(t,1H), 7.89(d,2H), 10.01(s,1H)。
The obtained compound was confirmed by 1 H-NMR;
1 H-NMR (400 MHz, CDCl 3 ) δ 0.33 (s, 18H), 7.79 (t, 1H), 7.89 (d, 2H), 10.01 (s, 1H).
3):5−(4−メトキシカルボニルフェニル)−10,15,20−トリス(3,5−ジトリメチルシリル)ポルフィリン(化合物C)の合成
窒素導入管、温度計を取り付けた1L三つ口フラスコに、2)で得られた化合物B(3.76g,15.0mmol)、4−ホルミル安息香酸メチル(0.82g,5.0mmol)、ピロール(1.34g,20.0mmol)、および脱水クロロホルム500mlをとり、室温下、30分間窒素バブリングした。ここに三フッ化ホウ素−ジエチルエーテル錯体(0.25ml)を加え、窒素雰囲気下、室温にて2時間撹拌した後、クロラニル(4.42g,18mmol)を一度に加えて一晩撹拌した。トリエチルアミン5mlを加えて反応を停止させ、反応液をセライトろ過し、減圧濃縮した。残渣をクロロホルムでフラッシュカラムに付し、得られた粗結晶を再度シリカゲルカラム(容量比でヘキサン:クロロホルム=2:1)で精製し、Rf=0.48(容量比でヘキサン:クロロホルム=1:1)の目的物を単離した。結晶をメタノールでろ過洗浄し、紫色固体の化合物Cを0.79g(0.71mmol、収率14.2%)得た。
3): Synthesis of 5- (4-methoxycarbonylphenyl) -10,15,20-tris (3,5-ditrimethylsilyl) porphyrin (Compound C) To a 1 L three-necked flask equipped with a nitrogen inlet tube and a thermometer 2) Compound B (3.76 g, 15.0 mmol), methyl 4-formylbenzoate (0.82 g, 5.0 mmol), pyrrole (1.34 g, 20.0 mmol), and dehydrated chloroform 500 ml Was bubbled with nitrogen at room temperature for 30 minutes. Boron trifluoride-diethyl ether complex (0.25 ml) was added thereto, and the mixture was stirred at room temperature for 2 hours under a nitrogen atmosphere. Then, chloranil (4.42 g, 18 mmol) was added at once and stirred overnight. The reaction was stopped by adding 5 ml of triethylamine, and the reaction solution was filtered through Celite and concentrated under reduced pressure. The residue was applied to a flash column with chloroform, and the resulting crude crystals were purified again with a silica gel column (volume ratio: hexane: chloroform = 2: 1), and Rf = 0.48 (volume ratio: hexane: chloroform = 1: The target product of 1) was isolated. The crystals were filtered and washed with methanol to obtain 0.79 g (0.71 mmol, yield 14.2%) of a purple solid compound C.
得られた化合物を1H−NMRにて確認した;
1H−NMR(400MHz,CDCl3) δ −2.70(s,2H),0.41(s,54H),4.11(s,3H),8.02(s,3H),8.33(q,8H),8.44(d,2H),8.80(d,2H),8.87(d,6H)。
The obtained compound was confirmed by 1 H-NMR;
1 H-NMR (400 MHz, CDCl 3 ) δ -2.70 (s, 2H), 0.41 (s, 54H), 4.11 (s, 3H), 8.02 (s, 3H), 8. 33 (q, 8H), 8.44 (d, 2H), 8.80 (d, 2H), 8.87 (d, 6H).
4):式(2)で表される本発明のポルフィリン誘導体の合成
冷却管および温度計を取り付けた500mL三つ口フラスコに、化合物C(0.79g
,0.71mmol)、イソプロピルアルコール200ml、および水酸化カリウム水溶液20mlを入れ、窒素雰囲気下、70℃で4時間撹拌した。反応液を常温に戻した後、6M塩酸を加えてpHを3とし、クロロホルムで2回抽出した。有機層を純水で洗浄後、乾燥、減圧濃縮した。残渣をシリカゲルカラム(クロロホルム→容量比でクロロホルム:メタノール=9:1)で、精製し紫色固体の本発明のポルフィリン誘導体を0.47g(0.43mmol、収率61.8%)得た。
4): Synthesis of Porphyrin Derivative of the Present Invention Represented by Formula (2) Into a 500 mL three-necked flask equipped with a condenser and a thermometer, compound C (0.79 g)
, 0.71 mmol), 200 ml of isopropyl alcohol, and 20 ml of aqueous potassium hydroxide solution were added, and the mixture was stirred at 70 ° C. for 4 hours under a nitrogen atmosphere. The reaction solution was returned to room temperature, 6M hydrochloric acid was added to adjust the pH to 3, and the mixture was extracted twice with chloroform. The organic layer was washed with pure water, dried and concentrated under reduced pressure. The residue was purified with a silica gel column (chloroform → volume ratio: chloroform: methanol = 9: 1) to obtain 0.47 g (0.43 mmol, yield 61.8%) of the porphyrin derivative of the present invention as a purple solid.
得られたポルフィリン誘導体を1H−NMRにて確認した;
1H−NMR(400MHz,CDCl3) δ −2.68(s,2H),0.42(s,54H),8.04(s,3H),8.36(d,6H),8.40(d,2H),8.57(d,2H),8.84(d,2H),8.89(s,6H),8.90(bs,1H)。
The obtained porphyrin derivative was confirmed by 1 H-NMR;
1 H-NMR (400 MHz, CDCl 3 ) δ -2.68 (s, 2H), 0.42 (s, 54H), 8.04 (s, 3H), 8.36 (d, 6H), 8. 40 (d, 2H), 8.57 (d, 2H), 8.84 (d, 2H), 8.89 (s, 6H), 8.90 (bs, 1H).
[溶解性の評価試験]
実施例1で得られたポルフィリン誘導体と、下記式で表される特許文献3に記載の含ケイ素ポルフィリン誘導体とを用い、有機溶媒への溶解性を比較した。その結果、本発明のポルフィリン誘導体は、ヘキサン、クロロホルム、アセトン、メタノール、トルエン、THF、ジメチルスルホキシド(DMSO)に、室温(25℃)で容易に5〜10重量%溶解した。一方、下記式で示されるポルフィリン誘導体は、上記溶媒中ヘキサンに不溶、クロロホルム、トルエン、DMSOに5〜10重量%溶かす場合は加温(50〜80℃)が必要であった。これらの結果より、本発明のポルフィリン誘導体は有機溶媒への溶解性に優れることがわかった。
[Solubility evaluation test]
The solubility in organic solvents was compared using the porphyrin derivative obtained in Example 1 and the silicon-containing porphyrin derivative described in Patent Document 3 represented by the following formula. As a result, the porphyrin derivative of the present invention was easily dissolved in hexane, chloroform, acetone, methanol, toluene, THF, dimethyl sulfoxide (DMSO) at 5 to 10% by weight at room temperature (25 ° C.). On the other hand, the porphyrin derivative represented by the following formula is insoluble in hexane in the above solvent, and heating (50 to 80 ° C.) is required when 5 to 10% by weight is dissolved in chloroform, toluene and DMSO. From these results, it was found that the porphyrin derivative of the present invention is excellent in solubility in an organic solvent.
[実施例2]:ポルフィリン錯体(ポルフィリン誘導体と亜鉛とからなる錯体)の合成
200mlナスフラスコに、実施例1で合成した5−(4−カルボキシフェニル)−10,15,20−トリス(3,5−ジトリメチルシリル)ポルフィリン(0.20g,0.18mmol)、クロロホルム80mlをとり、窒素雰囲気下、室温で撹拌した。次いで、酢酸亜鉛の飽和メタノール溶液12mlを一度に加え、そのまま1時間撹拌した。反応液を減圧濃縮後、残渣をシリカゲルカラム(容量比でクロロホルム:メタノール=96:4)で精製し、紫色固体の亜鉛錯体を定量的に(0.21g,0.18mmol)得た。
[Example 2]: Synthesis of porphyrin complex (complex composed of porphyrin derivative and zinc) 5- (4-carboxyphenyl) -10,15,20-tris (3,3) synthesized in Example 1 in a 200 ml eggplant flask. 5-Ditrimethylsilyl) porphyrin (0.20 g, 0.18 mmol) and 80 ml of chloroform were taken and stirred at room temperature under a nitrogen atmosphere. Next, 12 ml of a saturated methanol solution of zinc acetate was added at once, and the mixture was stirred as it was for 1 hour. The reaction solution was concentrated under reduced pressure, and the residue was purified by a silica gel column (volume ratio of chloroform: methanol = 96: 4) to quantitatively obtain a purple solid zinc complex (0.21 g, 0.18 mmol).
得られた化合物を1H−NMRにて確認した;
1H−NMR(400MHz,CDCl3) δ 0.41(s,54H),8.01(s
,3H),8.33(d,8H),8.46(d,2H),8.86(d,2H),8.91(d,6H)。
The obtained compound was confirmed by 1 H-NMR;
1 H-NMR (400 MHz, CDCl 3 ) δ 0.41 (s, 54H), 8.01 (s
, 3H), 8.33 (d, 8H), 8.46 (d, 2H), 8.86 (d, 2H), 8.91 (d, 6H).
[実施例3]:色素増感太陽電池の作製および光電変換効率の測定
公知の方法で作成した二酸化チタン焼結済のガラス基板を、20mm×15mmの大きさに切断し、表面の酸化チタン膜を削って幅6mmの八角形に成形した。この基板を450℃で10分間再焼成し、80℃まで放冷した。次いで、実施例1で合成した5−(4−カルボキシフェニル)−10,15,20−トリス(3,5−ジトリメチルシリル)ポルフィリンの5×10-3Mエタノール溶液中に前記基板を24時間浸漬後、アルゴン雰囲気下でエタノール洗浄し、乾燥して光作用電極を形成した。
[Example 3]: Preparation of dye-sensitized solar cell and measurement of photoelectric conversion efficiency A titanium dioxide sintered glass substrate prepared by a known method was cut into a size of 20 mm x 15 mm, and a titanium oxide film on the surface Was cut into an octagon with a width of 6 mm. The substrate was refired at 450 ° C. for 10 minutes and allowed to cool to 80 ° C. Next, the substrate was immersed in a 5 × 10 −3 M ethanol solution of 5- (4-carboxyphenyl) -10,15,20-tris (3,5-ditrimethylsilyl) porphyrin synthesized in Example 1 for 24 hours. Thereafter, it was washed with ethanol in an argon atmosphere and dried to form a photoworking electrode.
対極としては、FTO(フッ素化酸化スズ)付きガラス基板上に、スパッタリング法により厚さ1μmの白金膜を付けたものを用いた。この上にスペーサーを厚さ25μmとなるように熱圧着した。また、電解質液は、ヨウ素、ヨウ化リチウム、t−ブチルピリジンのメトキシアセトニトリル溶液を用いた。各成分の濃度は、それぞれ0.05M、0.5M、0.5Mとなるように調製した。対極の上に電解質を滴下し、色素吸着基板(光作用電極)で挟み、色素増感太陽電池を作製した。この上に5.5mmφのマスクを乗せて、測定用のセルとした。 As the counter electrode, a glass substrate with FTO (fluorinated tin oxide) provided with a platinum film having a thickness of 1 μm by a sputtering method was used. A spacer was thermocompression-bonded on this so as to have a thickness of 25 μm. As the electrolyte solution, a methoxyacetonitrile solution of iodine, lithium iodide, and t-butylpyridine was used. The concentration of each component was adjusted to be 0.05M, 0.5M, and 0.5M, respectively. An electrolyte was dropped on the counter electrode and sandwiched between dye adsorption substrates (photoworking electrodes) to prepare a dye-sensitized solar cell. A 5.5 mmφ mask was placed on this to form a measurement cell.
このセルを動作させる光源としては、疑似太陽光(100mW/cm2、AM(エア・
マス)1.5)を用いた。そして、光電流密度−電圧、および作用スペクトル(分光感度特性)を測定し、短絡電流と解放電圧を求めた。なお、短絡電流とは、対向電極間を短絡して測定した電流を意味し、開放電圧とは、対向電極間をオープンにして発生した電圧を意味する。これらの結果から算出した光電変換効率は3.1%であった。
As a light source for operating this cell, artificial sunlight (100 mW / cm 2 , AM (air
Mass) 1.5) was used. Then, the photocurrent density-voltage and the action spectrum (spectral sensitivity characteristics) were measured, and the short circuit current and the release voltage were obtained. In addition, a short circuit current means the electric current measured by short-circuiting between counter electrodes, and an open circuit voltage means the voltage which generate | occur | produced between the counter electrodes open. The photoelectric conversion efficiency calculated from these results was 3.1%.
[比較例1]
増感色素として下記式で表されるポルフィリン誘導体を用いた以外は、実施例1と同様の方法によりポルフィリン錯体を合成し、実施例3と同様の方法により色素増感太陽電池を作製して光電変換効率を測定した。その結果、光電変換効率は1.4%であった。
[Comparative Example 1]
A porphyrin complex was synthesized by the same method as in Example 1 except that a porphyrin derivative represented by the following formula was used as a sensitizing dye, and a dye-sensitized solar cell was prepared by the same method as in Example 3 to produce photoelectric Conversion efficiency was measured. As a result, the photoelectric conversion efficiency was 1.4%.
Claims (9)
数1〜20のアルコキシまたは炭素数6〜20のアリールであり、a、bおよびcはそれぞれ独立して2〜5の整数であり、dは1〜5の整数である。)。 A porphyrin derivative represented by the formula (1);
ブチルまたはフェニルであることを特徴とする請求項1記載のポルフィリン誘導体。 In the formula (1), R 1 , R 2 and R 3 are each independently methyl, ethyl, propyl,
The porphyrin derivative according to claim 1, which is butyl or phenyl.
ニルであることを特徴とする請求項1記載のポルフィリン誘導体。 The porphyrin derivative according to claim 1 , wherein R 1 , R 2 and R 3 in the formula (1) are each independently methyl, butyl or phenyl.
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