JP2010209131A - New photosensitizer and photoelectromotive element - Google Patents

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Masaki Minami
昌樹 南
Tsutomu Nakamura
中村  勉
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new photosensitizer which is capable of absorbing light widely in a visible region and of increasing a transformation efficiency and which is used suitably for dye sensitized solar cells. <P>SOLUTION: The photosensitizer comprises a metal complex expressed by general formula (I): ML<SP>1</SP>L<SP>2</SP>X<SB>n</SB>(wherein, M is a transition metal of the periodic table group VIII; L<SP>1</SP>and L<SP>2</SP>are the same or different, each at least a ligand containing an aromatic ring or a pyridine ring, and at least one of the both contains a COOH group or an OH group) and has an HOMO ranging -5.2 to -4.9 eV and an LUMO ranging -3.7 to -3.45 and also a gap of HOMO/LUMO ranging 1.20 to 1.55 eV as calculated by the use of a program calculation (the DFT calculation) in a quantum chemistry. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は新規光増感剤に関し、特に色素増感型太陽電池に好適に用いられる新規光増感剤に関する。また本発明は該光増感剤を用いた光起電力素子に関する。   The present invention relates to a novel photosensitizer, and more particularly to a novel photosensitizer that is suitably used for a dye-sensitized solar cell. The present invention also relates to a photovoltaic device using the photosensitizer.

1991年にグレッツェルらが発表した色素増感型太陽電池素子は、ルテニウム錯体によって分光増感された酸化チタン多孔質薄膜を作用電極とする湿式太陽電池であり、シリコン太陽電池並みの性能が得られることが報告されている(非特許文献1参照)。この方法は、チタニア等の安価な酸化物半導体を高純度に精製することなく用いることができるため、安価な色素増感型太陽電池素子を提供でき、しかも色素の吸収がブロードであるため、可視光線のほぼ全波長領域の光を電気に変換できるという利点があり、注目を集めている。
しかしながら、公知のルテニウム錯体色素は、可視光は吸収するものの700nmより長波長の赤外光はほとんど吸収しないため赤外域での光電変換能は低い。したがって更に変換効率を上げるためには可視光のみならず赤外域に吸収を有する色素の開発が望まれていた。
一方、ブラックダイに関しては、920nmまで光を吸収することができるが、吸光係数が小さいため、高電流値を得るためには、酸化チタン多孔質薄膜に吸着する量を多くする必要があった。酸化チタン多孔質薄膜への吸着量を増加する方法は、種々の方法があるが、一般的には、薄膜の厚みを増加することで可能である(非特許文献2参照)。薄膜の厚みを増加すると、逆電子移動の増加、薄膜中の電子密度の減少などによって、開放電圧値の減少、FFの低下などが生ずるため、変換効率は大きく増加することはできない。
また、キノリン環、ナフチジン環を含む配位子にて、900nm程度まで光吸収を有する色素が得られているが、ブラックダイと同様に吸光係数の低下が課題となっている(非特許文献3参照)。
The dye-sensitized solar cell element announced by Gretzell et al. In 1991 is a wet solar cell using a titanium oxide porous thin film spectrally sensitized by a ruthenium complex as a working electrode, and can obtain performance equivalent to that of a silicon solar cell. Has been reported (see Non-Patent Document 1). Since this method can use an inexpensive oxide semiconductor such as titania without purifying it with high purity, it can provide an inexpensive dye-sensitized solar cell element, and since the absorption of the dye is broad, it is visible. It has the advantage of being able to convert light in almost all wavelength regions of light into electricity, and has attracted attention.
However, a known ruthenium complex dye absorbs visible light but hardly absorbs infrared light having a wavelength longer than 700 nm, and thus has a low photoelectric conversion ability in the infrared region. Therefore, in order to further increase the conversion efficiency, development of a dye having absorption not only in the visible light but also in the infrared region has been desired.
On the other hand, the black die can absorb light up to 920 nm, but has a small extinction coefficient. Therefore, in order to obtain a high current value, it is necessary to increase the amount adsorbed on the titanium oxide porous thin film. Although there are various methods for increasing the amount of adsorption to the titanium oxide porous thin film, it is generally possible to increase the thickness of the thin film (see Non-Patent Document 2). When the thickness of the thin film is increased, the conversion efficiency cannot be increased greatly because the open-circuit voltage value is decreased and the FF is decreased due to an increase in reverse electron transfer and a decrease in the electron density in the thin film.
Moreover, although the pigment | dye which has light absorption to about 900 nm is obtained with the ligand containing a quinoline ring and a naphthidine ring, the fall of an extinction coefficient is a subject like a black die (nonpatent literature 3). reference).

オレガン(B. O’Regan)、グレツェル(M.Gratzel),「ネイチャー(Nature)」,(英国),1991年,353巻,p.737B. O'Regan, M. Gratzel, "Nature" (UK), 1991, 353, p. 737 グレツェル(M.Gratzel),「ジャーナル オブ アメリカン ケミカルソサイアティー」,2001年,123巻,p.1613M. Gratzel, “Journal of American Chemical Society”, 2001, 123, p. 1613 「インオーガニック ケミストリー」,2006年,45巻,10131"Inorganic Chemistry", 2006, 45, 10131

可視光の広い範囲で光を吸収し、極薄い薄膜においても、光吸収率が高くなる吸光係数の大きな色素(光増感剤)が望まれていた。   There has been a demand for a dye (photosensitizer) having a large absorption coefficient that absorbs light in a wide range of visible light and has a high light absorption even in an extremely thin thin film.

本発明者らは、上記課題を解決すべく、金属錯体色素について幅広く検討した結果、本発明に到達した。   As a result of extensive studies on metal complex dyes in order to solve the above problems, the present inventors have reached the present invention.

すなわち本発明は、一般式(I)で表される金属錯体からなり、量子化学のプログラム計算(DFT計算)を用いて算出したHOMOが−5.2〜−4.9eV、LUMOが−3.7〜−3.45の範囲にあり、かつHOMO/LUMOのギャップが1.20〜1.55eVの範囲にあることを特徴とする光増感剤に関する。
ML (I)
(ここで、Mは周期表第8族遷移金属を示し、L、Lは少なくとも芳香族環またはピリジン環を含む配位子であり、同一でも異なっていても良く、また、LあるいはLは少なくともいずれかにCOOH基またはOH基を含む。)
That is, the present invention comprises a metal complex represented by the general formula (I), and has a HOMO of −5.2 to −4.9 eV and a LUMO of −3. The present invention relates to a photosensitizer characterized by being in the range of 7 to -3.45 and having a HOMO / LUMO gap in the range of 1.20 to 1.55 eV.
ML 1 L 2 X n (I)
(Here, M represents a Group 8 transition metal in the periodic table, L 1 and L 2 are ligands containing at least an aromatic ring or a pyridine ring, which may be the same or different, and L 1 or L 2 contains at least one COOH group or OH group.)

また本発明は、前記一般式(I)において、Lが下記一般式(II)で表されるキノリンを含む2座配位子のいずれかを示し、Lは下記一般式(a)〜(g)で表される配位子のいずれかを示し、Xは、独立にハロゲン原子、CN、NCS、SCN、NCOおよびNCNから選ばれるイオン性の配位子で、Lが式(a)および式(g)以外のときは、独立にn=2または下記一般式(III)に示されるいずれかの2座配位子を表わし、Lが式(a)または式(g)である場合は、ハロゲン原子、CN、NCS、SCN、NCOおよびNCNから選ばれるイオン性の配位子を示し、n=1であることを特徴とする前記記載の光増感剤に関する。

Figure 2010209131
(ここで、R、Rは同一でも異なっていても良く、少なくともどちらか一方がCOOHを含む基である。同一でない場合、他方は、水素、炭素数1〜30のアルキル基、アルケニル基、アリール基、アラルキル基、アルコキシ基またはアミノ基を表す。)
Figure 2010209131
(R21〜R32はそれぞれ独立に、水素、炭素数1〜30のアルキル基、アルケニル基、アリール基、アルコキシ基、OH基、ハロゲン、アミノ基、シアノ基またはニトロ基を示す。Yは、O、SまたはNR13を示す。R13は炭素数1〜30のアルキル基、アリール基またはアラルキル基を表す。)
Figure 2010209131
(式(III)中、R33〜R35は、それぞれ同一でも異なっていても良く、水素、炭素数1〜30のアルキル基、炭素数2〜30のアルコキシアルキル基、炭素数1〜30のパーフルオロアルキル基、炭素数6〜30のアリール基、または炭素数7〜30のアラルキル基を表す。R36は、水素、シアノ基、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のパーフルオロアルキル基、または炭素数6〜15のアリール基を表し、R36同士が結合して環を形成してもよい。) The present invention, in the general formula (I), L 1 represents one of the bidentate ligands containing quinoline represented by the following general formula (II), L 2 is represented by the following general formula (a) ~ indicates one of the ligands represented by (g), X is independently a halogen atom, CN, NCS, SCN, an ionic ligand selected from NCO and NCN 2, L 2 has the formula ( In cases other than a) and formula (g), n = 2 independently represents any bidentate ligand represented by the following general formula (III), and L 2 represents formula (a) or formula (g). Is an ionic ligand selected from a halogen atom, CN, NCS, SCN, NCO and NCN 2 , and relates to the photosensitizer described above, wherein n = 1.
Figure 2010209131
(Here, R 1 and R 2 may be the same or different, and at least one of them is a group containing COOH. When they are not the same, the other is hydrogen, an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, or an alkenyl group. Represents an aryl group, an aralkyl group, an alkoxy group or an amino group.)
Figure 2010209131
(R 21 to R 32 each independently represents hydrogen, an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, an alkenyl group, an aryl group, an alkoxy group, an OH group, a halogen, an amino group, a cyano group, or a nitro group. Y represents Represents O, S or NR 13. R 13 represents an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, an aryl group or an aralkyl group.
Figure 2010209131
(In the formula (III), R 33 to R 35 may be the same or different and are each hydrogen, an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, an alkoxyalkyl group having 2 to 30 carbon atoms, or an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms. A perfluoroalkyl group, an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, or an aralkyl group having 7 to 30 carbon atoms, R 36 is hydrogen, a cyano group, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms. (It represents a perfluoroalkyl group or an aryl group having 6 to 15 carbon atoms, and R 36 may be bonded to form a ring.)

さらに本発明は、少なくとも1つの金属酸化物半導体層を有する光起電力素子であって、前記金属酸化物半導体層が前記記載の光増感剤を含むことを特徴とする光起電力素子に関する。   The present invention further relates to a photovoltaic device having at least one metal oxide semiconductor layer, wherein the metal oxide semiconductor layer contains the photosensitizer described above.

本発明の光増感剤は、可視領域において、幅広く光を吸収し、光起電力素子の変換効率を上げることができる。   The photosensitizer of the present invention can absorb light widely in the visible region and increase the conversion efficiency of the photovoltaic element.

光起電力素子の断面の例である。It is an example of the cross section of a photovoltaic device. 光増感剤1のH−NMRスペクトルである。1 is a 1 H-NMR spectrum of photosensitizer 1.

以下、本発明について説明する。   The present invention will be described below.

本発明の光増感剤は、一般式(I)で表される金属錯体からなり、量子化学のプログラム計算(DFT計算)を用いて算出したHOMOが−5.2〜−4.9eV、好ましくは−5.15〜−4.95、さらに好ましくは−5.1〜−4.95の範囲であり、LUMOが−3.7〜−3.45eV、好ましくは−3.65〜−3.45、さらに好ましくは−3.65〜−3.5の範囲であり、かつHOMO/LUMOのギャップが1.20〜1.55eV、好ましくは1.25〜1.55、さらに好ましくは1.30〜1.50の範囲にあることを特徴とする。   The photosensitizer of the present invention comprises a metal complex represented by the general formula (I), and has a HOMO calculated using a quantum chemical program calculation (DFT calculation) of −5.2 to −4.9 eV, preferably Is in the range of −5.15 to −4.95, more preferably −5.1 to −4.95, and the LUMO is −3.7 to −3.45 eV, preferably −3.65 to −3. 45, more preferably in the range of −3.65 to −3.5, and the HOMO / LUMO gap is 1.20 to 1.55 eV, preferably 1.25 to 1.55, more preferably 1.30. It is characterized by being in the range of ˜1.50.

量子化学計算については、市販のGAUSSIAN03を用いて行った。CPCM溶媒モデルにて、溶媒(エタノール)を考慮したDFT(密度汎関数理論)/TD−DFT計算を行った。構造最適化および電子構造・分子軌道のエネルギーレベルについて、計算法;DFT/B3LYP、基底関数;LANL2DZを適用し計算を行った。   The quantum chemical calculation was performed using commercially available GAUSSIAN03. In the CPCM solvent model, DFT (density functional theory) / TD-DFT calculation considering the solvent (ethanol) was performed. The calculation method: DFT / B3LYP, basis function: LANL2DZ was applied to the structure optimization and the energy level of the electronic structure / molecular orbitals.

ここで、光増感剤の光励起において、励起電子が酸化物半導体へ注入されたとき、生成した色素の酸化体とヨウ素が反応し、色素は元の基底状態へと還元されるが、HOMOが−4.9eVを超えるとヨウ素の酸化還元準位に近くなり、反応速度が低下し、この反応が律速となる場合、電流値の低下を招くこととなる。   Here, in photoexcitation of the photosensitizer, when excited electrons are injected into the oxide semiconductor, the oxidant of the generated dye reacts with iodine, and the dye is reduced to the original ground state. If it exceeds -4.9 eV, it will be close to the redox level of iodine, the reaction rate will decrease, and if this reaction is rate limiting, the current value will decrease.

光増感剤の光励起において、生成した励起電子は酸化物半導体へ注入されるが、色素のLUMOが−3.7eVより低いと、酸化物半導体の伝導帯準位と近い値をとるため、注入効率が低下することが分っている。この場合、電流値の低下に加え、電圧値の低下も生じることが予想される。   In the photoexcitation of the photosensitizer, the generated excited electrons are injected into the oxide semiconductor. However, when the LUMO of the dye is lower than −3.7 eV, the value is close to the conduction band level of the oxide semiconductor. It has been found that efficiency decreases. In this case, in addition to a decrease in current value, a decrease in voltage value is also expected.

さらにHOMO/LUMOのギャップは1.20〜1.55の間であり、1.20より低い場合は、HOMOとヨウ素の酸化還元準位、LUMOと酸化物半導体の伝導帯準位とのマッチングが悪化し、効率が低下する。一方、1.55より大きい場合は、色素の光吸収域が短波長域の光しか吸収できないため、十分な電流値を得ることができなくなる。   Furthermore, the HOMO / LUMO gap is between 1.20 and 1.55. When the gap is lower than 1.20, the HOMO and iodine redox levels, and the LUMO and oxide semiconductor conduction band levels match. Deteriorates and decreases efficiency. On the other hand, if it is larger than 1.55, the light absorption region of the dye can only absorb light in the short wavelength region, so that a sufficient current value cannot be obtained.

本発明の光増感剤は、上記の量子化学のプログラム計算を満足させることが必要であるが、具体的には下記一般式(I)で表される金属錯体である。
ML (I)
The photosensitizer of the present invention is required to satisfy the above-mentioned quantum chemistry program calculation, and is specifically a metal complex represented by the following general formula (I).
ML 1 L 2 X n (I)

一般式(I)において、Mは周期表第8族遷移金属を示し、なかでもRu、OsおよびFeから選ばれる遷移金属が好ましく、Ruが特に好ましい。   In the general formula (I), M represents a Group 8 transition metal in the periodic table, among which a transition metal selected from Ru, Os and Fe is preferable, and Ru is particularly preferable.

は下記一般式(II)で表されるキノリンを含む2座配位子のいずれかを示す。

Figure 2010209131
L 1 represents any one of bidentate ligands containing a quinoline represented by the following general formula (II).
Figure 2010209131

ここで、R、Rは同一でも異なっていても良く、少なくともどちらか一方がCOOHを含む基である。RとRが同一でない場合、他方は、水素、炭素数1〜30のアルキル基、アルケニル基、アリール基、アラルキル基、アルコキシ基、またはアミノ基を表す。ここで、COOHを含む基とはCOOH基の他、−Z−COOHで示される基(Zは炭素数1〜30のアルキレン基、アルケニレン基、アリーレン基等の2価の炭化水素基を表し、それらを同時に含んでも良い)。 Here, R 1 and R 2 may be the same or different, and at least one of them is a group containing COOH. When R 1 and R 2 are not the same, the other represents hydrogen, an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, an alkenyl group, an aryl group, an aralkyl group, an alkoxy group, or an amino group. Here, the group containing COOH represents a group represented by -Z-COOH in addition to a COOH group (Z represents a divalent hydrocarbon group such as an alkylene group having 1 to 30 carbon atoms, an alkenylene group, an arylene group, They may be included at the same time).

の具体例としては、下記の化合物を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。 Specific examples of L 1 include the following compounds, but are not limited thereto.

Figure 2010209131
Figure 2010209131

Figure 2010209131
Figure 2010209131
Figure 2010209131
Figure 2010209131

一般式(I)において、Lは下記一般式(a)〜(g)で表される配位子のいずれかを示す。 In the general formula (I), L 2 represents any of the ligands represented by the following general formulas (a) to (g).

Figure 2010209131
Figure 2010209131

ここで、R21〜R32はそれぞれ独立に、水素、炭素数1〜30のアルキル基、アルケニル基、アリール基、アルコキシ基、OH基、ハロゲン、アミノ基、シアノ基またはニトロ基を示し、Yは、O、SまたはNRを示し、Rは炭素数1〜30のアルキル基、アリール基またはアラルキル基を表す。 Here, R 21 to R 32 each independently represent hydrogen, an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, an alkenyl group, an aryl group, an alkoxy group, an OH group, a halogen, an amino group, a cyano group, or a nitro group, and Y Represents O, S or NR, and R represents an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, an aryl group or an aralkyl group.

式(a)の具体例としては、下記のもの挙げられるが、これらに限定されるものではない。   Specific examples of the formula (a) include, but are not limited to, the following.

Figure 2010209131
Figure 2010209131

式(b)の具体例としては、下記のものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。   Specific examples of the formula (b) include, but are not limited to, the following.

Figure 2010209131
Figure 2010209131

式(c)の具体例としては、下記のものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。   Specific examples of the formula (c) include, but are not limited to, the following.

Figure 2010209131
Figure 2010209131

式(d)の具体例としては、下記のものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。   Specific examples of the formula (d) include, but are not limited to, the following.

Figure 2010209131
Figure 2010209131

式(e)の具体例としては、下記のものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。   Specific examples of the formula (e) include, but are not limited to, the following.

Figure 2010209131
Figure 2010209131

式(f)の具体例としては、下記のものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。   Specific examples of the formula (f) include the following, but are not limited thereto.

Figure 2010209131
Figure 2010209131

式(g)の具体例としては、下記のものが挙げられるが、これに限定されるものではない。   Specific examples of formula (g) include the following, but are not limited thereto.

Figure 2010209131
Figure 2010209131

一般式(I)において、Xは、独立にハロゲン原子、CN、NCS、SCN、NCOおよびNCNから選ばれるイオン性の配位子で、Lが式(a)および式(g)以外のときは、独立にn=2または下記一般式(III)に示される式(IIIa)または式(IIIb)のいずれかの2座配位子を表わし、Lが式(a)または式(g)である場合は、ハロゲン原子、CN、NCS、SCN、NCOおよびNCNから選ばれるイオン性の配位子を示し、n=1である。 In the general formula (I), X is an ionic ligand independently selected from a halogen atom, CN, NCS, SCN, NCO and NCN 2 , and L 2 is other than the formula (a) and the formula (g) Is independently n = 2 or any of the bidentate ligands of formula (IIIa) or (IIIb) represented by the following general formula (III), and L 2 represents formula (a) or formula (g ) Represents an ionic ligand selected from a halogen atom, CN, NCS, SCN, NCO and NCN 2 , and n = 1.

Figure 2010209131
Figure 2010209131

一般式(IIIa)の場合、R33〜R35は、それぞれ同一でも異なっていても良く、水素、炭素数1〜30のアルキル基、炭素数2〜30のアルコキシアルキル基、炭素数1〜30のパーフルオロアルキル基、炭素数6〜30のアリール基、または炭素数7〜30のアラルキル基を表す。
炭素数1〜30のアルキル基としては、直鎖状でも分岐状でもよく、具体的にはメチル基、エチル基、i−プロピル基、n−プロピル基、ブチル基、s−ブチル基、t−ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、ノニル基、ドデシル基、イコシル基、ドコシル基などが挙げられる。炭素数2〜30のアルコキシアルキル基としては、具体的にはメトキシメチル基、メトキシエチル基、メトキシプロピル基、エトキシメチル基、エトキシブチル基、エトキシヘキシル基、エトキシノニル基、プロポキシメチル基、ブトキシメチル基、ヘキシロキシメチル基、ノニロキシメチル基、ドデシロキシエチル基などが挙げられる。炭素数1〜30のパーフルオロアルキル基としては、具体的には−CF、−C、−iCなどが挙げられる。炭素数6〜30のアリール基としては、具体的にはフェニル基、ナフチル基などが挙げられる。炭素数7〜30のアラルキル基としては、具体的にはベンジル基、フェネチル基、フェニルブチル基、フェニルノニル基、ナフチルノニル基などが挙げられる。さらに具体的には、以下に示す官能基が挙げられる。
In the case of general formula (IIIa), R 33 to R 35 may be the same as or different from each other, and are hydrogen, an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, an alkoxyalkyl group having 2 to 30 carbon atoms, or 1 to 30 carbon atoms. A perfluoroalkyl group, an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, or an aralkyl group having 7 to 30 carbon atoms.
The alkyl group having 1 to 30 carbon atoms may be linear or branched, and specifically includes methyl, ethyl, i-propyl, n-propyl, butyl, s-butyl, t- Examples include butyl group, hexyl group, octyl group, nonyl group, dodecyl group, icosyl group, docosyl group and the like. Specific examples of the alkoxyalkyl group having 2 to 30 carbon atoms include methoxymethyl group, methoxyethyl group, methoxypropyl group, ethoxymethyl group, ethoxybutyl group, ethoxyhexyl group, ethoxynonyl group, propoxymethyl group, butoxymethyl. Group, hexyloxymethyl group, nonyloxymethyl group, dodecyloxyethyl group and the like. Specific examples of the C 1-30 perfluoroalkyl group include —CF 3 , —C 2 F 5 , —iC 3 F 7, and the like. Specific examples of the aryl group having 6 to 30 carbon atoms include a phenyl group and a naphthyl group. Specific examples of the aralkyl group having 7 to 30 carbon atoms include benzyl group, phenethyl group, phenylbutyl group, phenylnonyl group, and naphthylnonyl group. More specifically, the following functional groups are mentioned.

Figure 2010209131
Figure 2010209131

一般式(IIIb)の場合、R36は、水素、シアノ基、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のパーフルオロアルキル基、または炭素数6〜15のアリール基を表す。または、R36同士が結合して環を形成してもよい。
炭素数1〜20のアルキル基としては、直鎖状でも分岐状でもよく、具体的にはメチル基、エチル基、i−プロピル基、n−プロピル基、ブチル基、s−ブチル基、t−ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、ノニル基、ドデシル基などが挙げられる。炭素数1〜20のパーフルオロアルキル基としては、具体的には−CF、−C、−iCなどが挙げられる。炭素数6〜15のアリール基としては、具体的にはフェニル基、ナフチル基などが挙げられる。具体的には、以下に示す官能基が挙げられる。
In the general formula (IIIb), R 36 represents hydrogen, a cyano group, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a perfluoroalkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 15 carbon atoms. Or it may form a ring R 36 mutually coupled.
The alkyl group having 1 to 20 carbon atoms may be linear or branched. Specifically, methyl group, ethyl group, i-propyl group, n-propyl group, butyl group, s-butyl group, t- A butyl group, a hexyl group, an octyl group, a nonyl group, a dodecyl group, etc. are mentioned. Specific examples of the C 1-20 perfluoroalkyl group include —CF 3 , —C 2 F 5 , —iC 3 F 7, and the like. Specific examples of the aryl group having 6 to 15 carbon atoms include a phenyl group and a naphthyl group. Specific examples include the functional groups shown below.

Figure 2010209131
Figure 2010209131

また、R36同士が結合して環を形成する場合としては、具体的には以下に示す官能基が挙げられる。 Moreover, as if to R 36 mutually coupled to form a ring, and specific examples thereof include functional groups shown below.

Figure 2010209131
Figure 2010209131

つぎに、本発明の光増感剤の代表的な合成方法について説明するが、この方法に限定されるものではない。
一般式(I)におけるMとしてルテニウムを用いた場合を例にとって以下説明する。まず、ルテニウム前駆体に、配位子L、Lを順次反応させた後、Xを導入する方法が好ましく用いられる。ルテニウム前駆体としては、塩化ルテニウム、ジクロロ(p−サイメン)ルテニウム二量体、ジヨード(p−サイメン)ルテニウム二量体等を用いることができる。L、Lの反応は、逐次的に添加し、反応を行なっても良く、また、同時に添加して反応を行なっても良い。逐次的に反応を行なう場合、L、Lどちらを先に添加しても良い。
Next, a typical method for synthesizing the photosensitizer of the present invention will be described, but the present invention is not limited to this method.
The case where ruthenium is used as M in the general formula (I) will be described below as an example. First, a method of introducing X after sequentially reacting ligands L 1 and L 2 with a ruthenium precursor is preferably used. As the ruthenium precursor, ruthenium chloride, dichloro (p-cymene) ruthenium dimer, diiodo (p-cymene) ruthenium dimer, or the like can be used. The reactions of L 1 and L 2 may be added sequentially to carry out the reaction, or may be carried out by adding at the same time. When performing the reaction sequentially, either L 1 or L 2 may be added first.

反応溶媒としては、一般的な有機溶媒、水など用いることができ、好ましくはエタノール、メタノール、ブタノール等のアルコール系溶媒、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド等のアミド系溶媒、ジメチルスルホキシド、プロピレンカーボネート、N−メチルピロリドン等の極性溶媒が用いることができる。
反応温度は特に限定されないが、反応を進行させるためには加温が好ましく、50〜250℃の範囲で行なうことが特に好ましい。逐次的に反応を行なう場合は、1段目の反応と2段目の反応の反応温度を変えて行なうこともできる。また、加温については、オイルバス、ウォーターバス、マイクロ波加熱装置等を使用することができる。
反応時間は特に限定されないが、通常1分〜数日、好ましくは5分〜1日であり、加熱装置により時間を変更することが好ましい。
As a reaction solvent, a general organic solvent, water, and the like can be used. Preferably, alcohol solvents such as ethanol, methanol, butanol, amide solvents such as dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, propylene carbonate A polar solvent such as N-methylpyrrolidone can be used.
The reaction temperature is not particularly limited, but heating is preferable for the reaction to proceed, and it is particularly preferable to perform the reaction in the range of 50 to 250 ° C. When the reaction is performed sequentially, the reaction temperature of the first stage reaction and the second stage reaction can be changed. For heating, an oil bath, a water bath, a microwave heating device, or the like can be used.
Although reaction time is not specifically limited, Usually, it is 1 minute-several days, Preferably it is 5 minutes-1 day, It is preferable to change time with a heating apparatus.

Xについては、対応するアンモニウム塩、金属塩等を添加して反応を行なうことにより導入することができる。反応時間、反応温度は特に限定されない   About X, it can introduce | transduce by adding corresponding ammonium salt, a metal salt, etc., and reacting. Reaction time and reaction temperature are not particularly limited

つぎに本発明の光起電力素子について説明する。
本発明の光起電力素子の例としては、例えば、図1に示す断面を有する素子を挙げることができる。この素子は、透明導電性基板1上に本発明の光増感剤を吸着させた半導体層3が配置され、半導体層3と対向電極基板2の間に電解質層4が配置され、周辺がシール材5で密封されている。なお、リード線は透明導電性基板1と対向電極基板2の導電部分に接続され、電力を取り出すことができる。
Next, the photovoltaic element of the present invention will be described.
As an example of the photovoltaic element of the present invention, for example, an element having a cross section shown in FIG. In this element, a semiconductor layer 3 on which a photosensitizer of the present invention is adsorbed is disposed on a transparent conductive substrate 1, an electrolyte layer 4 is disposed between the semiconductor layer 3 and the counter electrode substrate 2, and the periphery is sealed. Sealed with a material 5. Note that the lead wire is connected to the conductive portions of the transparent conductive substrate 1 and the counter electrode substrate 2 so that power can be taken out.

透明導電性基板は、通常、透明基板上に透明導電層を積層させて製造される。透明基板としては、特に限定されず、材質、厚さ、寸法、形状等は目的に応じて適宜選択することができ、例えば、無色あるいは有色ガラス、網入りガラス、ガラスブロック等が用いられる他、無色あるいは有色の透明性を有する樹脂でも良い。かかる樹脂としては、具体的には、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、トリ酢酸セルロース、ポリメチルペンテンなどが挙げられる。なお、本発明における透明とは、10〜100%の透過率を有することであり、また、本発明における基板とは、常温において平滑な面を有するものであり、その面は平面あるいは曲面であってもよく、また応力によって変形するものであってもよい。   A transparent conductive substrate is usually produced by laminating a transparent conductive layer on a transparent substrate. The transparent substrate is not particularly limited, and the material, thickness, dimensions, shape, and the like can be appropriately selected according to the purpose.For example, colorless or colored glass, netted glass, glass blocks, etc. are used. A colorless or colored resin having transparency may be used. Specific examples of such resins include polyesters such as polyethylene terephthalate, polyamide, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether ketone, polyphenylene sulfide, polycarbonate, polyimide, polymethyl methacrylate, polystyrene, cellulose triacetate, and polymethylpentene. Etc. In the present invention, the term “transparent” means having a transmittance of 10 to 100%, and the term “substrate” in the present invention has a smooth surface at room temperature, and the surface is flat or curved. It may be deformed by stress.

電極の導電層を形成する透明導電層としては、本発明の目的を果たすものである限り特に限定されなく、例えば、金、銀、クロム、銅、タングステンなどの金属薄膜、金属酸化物からなる導電膜などが挙げられる。金属酸化物としては、例えば、酸化錫や酸化亜鉛に、他の金属元素を微量ドープしたIndium Tin Oxide(ITO(In:Sn))、Fluorine doped Tin Oxide(FTO(SnO:F))、Aluminum doped Zinc Oxide(AZO(ZnO:Al))などが好適なものとして用いられる。
膜厚は、通常10nm〜10μm、好ましくは100nm〜2μmである。また、表面抵抗(抵抗率)は、本発明の基板の用途により適宜選択されるところであるが、通常0.5〜500Ω/sq、好ましくは2〜50Ω/sqである。
The transparent conductive layer that forms the conductive layer of the electrode is not particularly limited as long as it fulfills the object of the present invention. For example, a conductive thin film made of metal such as gold, silver, chromium, copper, tungsten, or a metal oxide is used. Examples include membranes. Examples of the metal oxide include Indium Tin Oxide (ITO (In 2 O 3 : Sn)), Fluorine doped Tin Oxide (FTO (SnO 2 : F)) in which tin oxide or zinc oxide is slightly doped with other metal elements. ), Aluminum doped Zinc Oxide (AZO (ZnO: Al)) and the like are preferably used.
The film thickness is usually 10 nm to 10 μm, preferably 100 nm to 2 μm. The surface resistance (resistivity) is appropriately selected depending on the use of the substrate of the present invention, but is usually 0.5 to 500 Ω / sq, preferably 2 to 50 Ω / sq.

対向電極は通常、白金、カーボン電極などを用いることができる。基板の材質は特に限定されず、材質、厚さ、寸法、形状等は目的に応じて適宜選択することができ、例えば無色あるいは有色ガラス、網入りガラス、ガラスブロック等が用いられる他、無色あるいは有色の透明性を有する樹脂でも良い。かかる樹脂としては、具体的には、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、トリ酢酸セルロース、ポリメチルペンテンなどが挙げられる。また、金属プレートなどを基板として用いることもできる。   As the counter electrode, platinum, a carbon electrode, or the like can be usually used. The material of the substrate is not particularly limited, and the material, thickness, dimensions, shape and the like can be appropriately selected according to the purpose. For example, colorless or colored glass, meshed glass, glass block, etc. are used, colorless or A colored transparent resin may be used. Specific examples of such resins include polyesters such as polyethylene terephthalate, polyamide, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether ketone, polyphenylene sulfide, polycarbonate, polyimide, polymethyl methacrylate, polystyrene, cellulose triacetate, and polymethylpentene. Etc. A metal plate or the like can also be used as the substrate.

本発明の光起電力素子において用いられる半導体層としては、特に限定されないが、例えば、TiO、ZnO、SnO、Nbからなる層等が挙げられ、なかでもTiO、ZnOからなる層が好ましい。
本発明に用いられる半導体は単結晶でも多結晶でも良い。結晶系としては、アナターゼ型、ルチル型、ブルッカイト型などが主に用いられるが、好ましくはアナターゼ型である。
半導体層の形成には公知の方法を用いることができる。半導体層の形成方法としては、上記半導体のナノ粒子分散液、ゾル溶液等を、公知の方法により基板上に塗布することで得ることが出来る。この場合の塗布方法としては特に限定されずキャスト法による薄膜状態で得る方法、スピンコート法、ディップコート法、バーコート法のほか、スクリーン印刷法を初めとした各種の印刷方法を挙げることができる。
半導体層の厚みは任意であるが、通常0.5μm〜50μm、好ましくは1μm〜20μmである。
The semiconductor layer used in the photovoltaic device of the present invention is not particularly limited, for example, TiO 2, ZnO, such as a layer made of SnO 2, Nb 2 O 5 and the like, made of inter alia TiO 2, ZnO A layer is preferred.
The semiconductor used in the present invention may be single crystal or polycrystalline. As the crystal system, anatase type, rutile type, brookite type and the like are mainly used, and anatase type is preferable.
A known method can be used for forming the semiconductor layer. As a method for forming the semiconductor layer, the semiconductor nanoparticle dispersion, the sol solution, or the like can be obtained by coating on a substrate by a known method. The coating method in this case is not particularly limited, and examples include a method of obtaining a thin film by a casting method, a spin coating method, a dip coating method, a bar coating method, and various printing methods including a screen printing method. .
Although the thickness of a semiconductor layer is arbitrary, it is 0.5-50 micrometers normally, Preferably it is 1-20 micrometers.

本発明の光増感剤を半導体層に吸着させる方法としては、例えば、溶媒に光増感剤を溶解させた溶液を、半導体層上にスプレーコートやスピンコートなどにより塗布した後、乾燥する方法により形成することができる。この場合、適当な温度に基板を加熱しても良い。または光増感剤を溶解させた溶液に半導体層を浸漬して吸着させる方法を用いることもできる。浸漬する時間は光増感剤が十分に吸着すれば特に制限されることはないが、好ましくは10分〜30時間、より好ましくは1〜20時間である。また、必要に応じて浸漬する際に溶媒や基板を加熱しても良い。溶液にする場合の光増感剤の濃度としては、0.01〜100mmol/L、好ましくは0.1〜50mmol/L程度である。
溶媒としては、アルコール類、エーテル類、ニトリル類、エステル類、炭化水素など用いることができる。
As a method of adsorbing the photosensitizer of the present invention to the semiconductor layer, for example, a method in which a solution obtained by dissolving a photosensitizer in a solvent is applied on the semiconductor layer by spray coating or spin coating and then dried. Can be formed. In this case, the substrate may be heated to an appropriate temperature. Alternatively, a method of immersing and adsorbing a semiconductor layer in a solution in which a photosensitizer is dissolved can be used. The immersion time is not particularly limited as long as the photosensitizer is sufficiently adsorbed, but is preferably 10 minutes to 30 hours, more preferably 1 to 20 hours. Moreover, you may heat a solvent and a board | substrate when immersing as needed. The concentration of the photosensitizer in the case of a solution is about 0.01 to 100 mmol / L, preferably about 0.1 to 50 mmol / L.
As the solvent, alcohols, ethers, nitriles, esters, hydrocarbons and the like can be used.

また、光増感剤間の凝集等の相互作用を低減するために、界面活性剤としての性質を持つ無色の化合物を添加し、半導体層に共吸着させてもよい。このような無色の化合物の例としては、カルボキシル基やスルホ基を有するコール酸、デオキシコール酸、ケノデオキシコール酸、タウロデオキシコール酸等のステロイド化合物やスルホン酸塩類等が挙げられる。
未吸着の光増感剤は、吸着工程後、速やかに洗浄により除去するのが好ましい。洗浄は湿式洗浄槽中でアセトニトリル、アルコール系溶媒等を用いて行うのが好ましい。
光増感剤の吸着量は、強アルカリ溶液にて、半導体層から光増感剤を脱着し、アルカリ溶液の光吸収量から算出される。
また、吸着量は、半導体表面積に対し、1.0×10−8mol/cm〜1.0×10−6mol/cmの範囲で吸着することができる。
Further, in order to reduce the interaction such as aggregation between the photosensitizers, a colorless compound having properties as a surfactant may be added and co-adsorbed on the semiconductor layer. Examples of such colorless compounds include steroid compounds such as cholic acid having a carboxyl group or sulfo group, deoxycholic acid, chenodeoxycholic acid, taurodeoxycholic acid, sulfonates, and the like.
The unadsorbed photosensitizer is preferably removed by washing immediately after the adsorption step. Washing is preferably performed using acetonitrile, an alcohol solvent or the like in a wet washing tank.
The adsorption amount of the photosensitizer is calculated from the light absorption amount of the alkaline solution after desorbing the photosensitizer from the semiconductor layer with a strong alkaline solution.
Further, the adsorption amount to the semiconductor surface, can be adsorbed in the range of 1.0 × 10 -8 mol / cm 2 ~1.0 × 10 -6 mol / cm 2.

光増感剤を吸着させた後、アミン類、4級アンモニウム塩、少なくとも1つのウレイド基を有するウレイド化合物、少なくとも1つのシリル基を有するシリル化合物、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩等を用いて、半導体層の表面を処理してもよい。好ましいアミン類の例としては、ピリジン、4−t−ブチルピリジン、ポリビニルピリジン等が挙げられる。好ましい4級アンモニウム塩の例としては、テトラブチルアンモニウムヨージド、テトラヘキシルアンモニウムヨージド等が挙げられる。これらは有機溶媒に溶解して用いてもよく、液体の場合はそのまま用いてもよい。   After adsorbing the photosensitizer, amines, quaternary ammonium salts, ureido compounds having at least one ureido group, silyl compounds having at least one silyl group, alkali metal salts, alkaline earth metal salts, etc. are used. Then, the surface of the semiconductor layer may be treated. Examples of preferred amines include pyridine, 4-t-butylpyridine, polyvinylpyridine and the like. Examples of preferred quaternary ammonium salts include tetrabutylammonium iodide, tetrahexylammonium iodide and the like. These may be used by dissolving in an organic solvent, or may be used as they are in the case of a liquid.

本発明において用いられる電解質としては、特に限定されず、液体系でも固体系のいずれでもよく、可逆な電気化学的酸化還元特性を示すものが望ましい。ここで、可逆な電気化学的酸化還元特性を示すということは、光起電力素子の作用する電位領域において、可逆的に電気化学的酸化還元反応を起こし得ることをいう。典型的には、通常、水素基準電極(NHE)に対して−1〜+2Vvs NHEの電位領域で可逆的であることが望ましい。
電解質のイオン伝導度は、通常室温で1×10−7S/cm以上、好ましくは1×10−6S/cm以上、さらに好ましくは1×10−5S/cm以上であることが望ましい。
電解質層の厚さは、特に制限されないが、1μm以上であることが好ましく、より好ましくは10μm以上であり、また、3mm以下が好ましく、より好ましくは1mm以下である。
かかる電解質としては、上記の条件を満足すれば特に制限されるものでなく、液体系および固体系とも、本技術分野で公知のものを使用することができる。
The electrolyte used in the present invention is not particularly limited, and may be either a liquid system or a solid system, and desirably exhibits reversible electrochemical redox characteristics. Here, showing reversible electrochemical redox characteristics means that an electrochemical redox reaction can occur reversibly in the potential region where the photovoltaic element acts. Typically, it is usually desirable to be reversible in the potential region of −1 to +2 Vvs NHE with respect to the hydrogen reference electrode (NHE).
The ionic conductivity of the electrolyte is usually 1 × 10 −7 S / cm or more, preferably 1 × 10 −6 S / cm or more, more preferably 1 × 10 −5 S / cm or more at room temperature.
The thickness of the electrolyte layer is not particularly limited, but is preferably 1 μm or more, more preferably 10 μm or more, and preferably 3 mm or less, more preferably 1 mm or less.
The electrolyte is not particularly limited as long as the above-described conditions are satisfied, and those known in this technical field can be used for both liquid and solid systems.

以下に実施例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
(1)光増感剤1の量子化学計算
量子化学計算ソフトGaussian03を用いて、下記で合成する光増感剤1の計算を行ったところ、HOMO:−4.95eV、LUMO:−3.50eVであった。
(2)光増感剤1の合成
化合物1を文献(Inorganica Chimica Acta 351, 283 (2003)およびNew J.Chem., 26,963,(2002))に従い合成した。
ジクロロ(p−サイメン)ルテニウム二量体(1mmol:0.61g)、化合物1(2mmol:0.50g)をDMF(50ml)に溶解し、アルゴン雰囲気下80℃にて2時間攪拌した。続いて、4,4’−ビス(ジメチルアミノ)−2,2’−ビピリジン(2mmol:文献(Organometallics 27,1765(2008))に従い合成した。)を加え、アルゴン下にて150℃、5時間加熱攪拌を行なった。さらに、チオシアン酸アンモニウム(1.5g)を加え、4時間加熱攪拌を行なった。
反応終了後、減圧濃縮を行ない、得られた残渣を水に分散し、ろ過にて粗精製物として目的物を得た。メタノール中水酸化n−ブチルアンモニウム水溶液を添加し、目的物を溶解した後、カラム精製(Sephadex LH−20)を行った。主成分を得、減圧濃縮後、水にて希釈し、希薄HNO水溶液にてpH2とし、生成した濃赤色の沈殿物をろ過にて回収し、減圧乾燥にて目的の光増感剤1を収率45%にて得た。光増感剤1の同定は、MSスペクトル(m/z 709)、H−NMRスペクトルにて行なった。図2に光増感剤1のH−NMRスペクトルを示す。
[Example 1]
(1) Quantum chemical calculation of photosensitizer 1 Quantitative chemical calculation software Gaussian 03 was used to calculate photosensitizer 1 synthesized below. HOMO: -4.95 eV, LUMO: -3.50 eV Met.
(2) Synthesis of Photosensitizer 1 Compound 1 was synthesized according to the literature (Inorganica Chimica Acta 351, 283 (2003) and New J. Chem., 26,963, (2002)).
Dichloro (p-cymene) ruthenium dimer (1 mmol: 0.61 g) and compound 1 (2 mmol: 0.50 g) were dissolved in DMF (50 ml) and stirred at 80 ° C. for 2 hours under an argon atmosphere. Subsequently, 4,4′-bis (dimethylamino) -2,2′-bipyridine (2 mmol: synthesized according to the literature (Organometallics 27,1765 (2008))) was added, and 150 ° C. for 5 hours under argon. Heating and stirring were performed. Further, ammonium thiocyanate (1.5 g) was added, and the mixture was heated and stirred for 4 hours.
After completion of the reaction, the reaction mixture was concentrated under reduced pressure, and the resulting residue was dispersed in water and filtered to obtain the desired product as a crude product. An aqueous solution of n-butylammonium hydroxide in methanol was added to dissolve the target product, followed by column purification (Sephadex LH-20). The main component is obtained, concentrated under reduced pressure, diluted with water, adjusted to pH 2 with dilute HNO 3 aqueous solution, the produced dark red precipitate is recovered by filtration, and the desired photosensitizer 1 is obtained by drying under reduced pressure. Obtained in 45% yield. Photosensitizer 1 was identified by MS spectrum (m / z 709) and 1 H-NMR spectrum. FIG. 2 shows the 1 H-NMR spectrum of photosensitizer 1.

Figure 2010209131
Figure 2010209131

[実施例2]
(1)光増感剤2の量子化学計算
量子化学計算ソフトGaussian03を用いて、光増感剤2の計算を行ったところ、HOMO:−5.01eV、LUMO:−3.66eVであった。
(2)光増感剤2の合成
化合物2を文献(Inorganica Chimica Acta 351, 283 (2003)およびNew J. Chem., 26,963,(2002))に従い合成した。
ジクロロ(p−サイメン)ルテニウム二量体(1mmol:0.61g)、化合物2(2mmol:0.59g)をDMF(50ml)に溶解し、アルゴン雰囲気下80℃にて2時間攪拌した。続いて、4,4’−ビス(ジメチルアミノ)−2,2’−ビピリジン(2mmol)を加え、アルゴン下にて150℃、5時間加熱攪拌を行なった。さらに、チオシアン酸アンモニウム(1.5g)を加え、4時間加熱攪拌を行なった。
反応終了後、減圧濃縮を行ない、得られた残渣を水に分散し、ろ過にて粗精製物として目的物を得た。メタノール中水酸化n−ブチルアンモニウム水溶液を添加し、目的物を溶解した後、カラム精製(Sephadex LH−20)を行った。主成分を得、減圧濃縮後、水にて希釈し、希薄HNO水溶液にてpH2とし、生成した濃赤色の沈殿物をろ過にて回収し、減圧乾燥にて目的の光増感剤2を収率65%にて得た。光増感剤2の同定は、MSスペクトル(m/z 755)、H−NMRスペクトルにて行なった。
[Example 2]
(1) Quantum chemical calculation of photosensitizer 2 When the photosensitizer 2 was calculated using the quantum chemical calculation software Gaussian 03, HOMO: −5.01 eV and LUMO: −3.66 eV.
(2) Synthesis of Photosensitizer 2 Compound 2 was synthesized according to the literature (Inorganica Chimica Acta 351, 283 (2003) and New J. Chem., 26,963, (2002)).
Dichloro (p-cymene) ruthenium dimer (1 mmol: 0.61 g) and compound 2 (2 mmol: 0.59 g) were dissolved in DMF (50 ml) and stirred at 80 ° C. for 2 hours under an argon atmosphere. Subsequently, 4,4′-bis (dimethylamino) -2,2′-bipyridine (2 mmol) was added, and the mixture was heated and stirred under argon at 150 ° C. for 5 hours. Further, ammonium thiocyanate (1.5 g) was added, and the mixture was heated and stirred for 4 hours.
After completion of the reaction, the reaction mixture was concentrated under reduced pressure, and the resulting residue was dispersed in water and filtered to obtain the desired product as a crude product. An aqueous solution of n-butylammonium hydroxide in methanol was added to dissolve the target product, followed by column purification (Sephadex LH-20). The main component is obtained, concentrated under reduced pressure, diluted with water, adjusted to pH 2 with dilute HNO 3 aqueous solution, and the resulting dark red precipitate is collected by filtration, and the desired photosensitizer 2 is obtained by drying under reduced pressure. Obtained in 65% yield. Photosensitizer 2 was identified by MS spectrum (m / z 755) and 1 H-NMR spectrum.

Figure 2010209131
Figure 2010209131

[実施例3]
(1)光増感剤3の量子化学計算
量子化学計算ソフトGaussian03を用いて、光増感剤3の計算を行ったところ、HOMO:−5.07eV、LUMO:−3.55eVであった。
(2)光増感剤3の合成
ジクロロ(p−サイメン)ルテニウム二量体(1mmol:0.61g)および化合物1(2mmol:0.59g)をDMF(50ml)に溶解し、アルゴン雰囲気下80℃にて2時間攪拌した。続いて、4,4’−ジメトキシ−2,2’−ビピリジン(2mmol)を加え、アルゴン下にて150℃、5時間加熱攪拌を行なった。さらに、チオシアン酸アンモニウム(1.5g)を加え、4時間加熱攪拌を行なった。
反応終了後、減圧濃縮を行ない、得られた残渣を水に分散し、ろ過にて粗精製物として目的物を得た。メタノール中水酸化n−ブチルアンモニウム水溶液を添加し、目的物を溶解した後、カラム精製(Sephadex LH−20)を行った。主成分を得、減圧濃縮後、水にて希釈し、希薄HNO水溶液にてpH2とし、生成した濃赤色の沈殿物をろ過にて回収し、減圧乾燥にて目的の光増感剤3を収率65%にて得た。光増感剤3の同定は、MSスペクトル(m/z 919)、H−NMRスペクトルにて行なった。
[Example 3]
(1) Quantum chemical calculation of photosensitizer 3 When the photosensitizer 3 was calculated using the quantum chemical calculation software Gaussian 03, HOMO: −5.07 eV and LUMO: −3.55 eV.
(2) Synthesis of photosensitizer 3 Dichloro (p-cymene) ruthenium dimer (1 mmol: 0.61 g) and compound 1 (2 mmol: 0.59 g) were dissolved in DMF (50 ml), and the reaction was performed under an argon atmosphere. Stir at 2 ° C. for 2 hours. Subsequently, 4,4′-dimethoxy-2,2′-bipyridine (2 mmol) was added, and the mixture was heated and stirred at 150 ° C. for 5 hours under argon. Further, ammonium thiocyanate (1.5 g) was added, and the mixture was heated and stirred for 4 hours.
After completion of the reaction, the reaction mixture was concentrated under reduced pressure, and the resulting residue was dispersed in water and filtered to obtain the desired product as a crude product. An aqueous solution of n-butylammonium hydroxide in methanol was added to dissolve the target product, followed by column purification (Sephadex LH-20). The main component is obtained, concentrated under reduced pressure, diluted with water, adjusted to pH 2 with dilute HNO 3 aqueous solution, the resulting dark red precipitate is collected by filtration, and the desired photosensitizer 3 is obtained by drying under reduced pressure. Obtained in 65% yield. Photosensitizer 3 was identified by MS spectrum (m / z 919) and 1 H-NMR spectrum.

Figure 2010209131
Figure 2010209131

[実施例4]
(光起電力素子の作製および変換効率の測定)
導電性基板上に支持された二酸化チタン膜の増感に基づく光起電力素子を以下のように作製した(図1参照)。
導電性ガラス(フッ素ドープSnO,10Ω)上にコロイド状TiO粒子(粒径:20〜30nm)を塗布し、450℃、30分間焼成(膜厚:10μm)した後、その上に、光を散乱させるため、TiO粒子(粒径 300〜400nm)を塗布し、520℃、1時間焼成(膜厚:6〜8μm)した。これら2層の膜を30分間TiCl溶液に浸漬した後、450℃、30分間加熱した。
得られた膜を、上記新規色素(光増感剤)/エタノール溶液(3.0×10−4mol/L)に15時間浸し、色素層を形成した。得られた基板とPt薄膜のついたガラスのPt面を合わせ、0.5mol/Lのヨウ化リチウムと0.05mol/Lのヨウ素を含むアセトニトリル溶液を毛細管現象によって染み込ませ、周辺をエポキシ接着剤で封止した。なお、透明導電基板の導電層部分と対向電極にはリード線を接続した。
なお、比較のために、色素として一般的に光起電力セルに用いられるルテニウム色素(比較例)(Rutenium535−bisTBA:SOLARONIX社製)を用いた太陽電池を作製した。
このようにして得たセルに疑似太陽光900nmの単色光を照射し、入射フォトン−電流変換効率(IPCE)を測定した結果を表1に示した。
表1より、従来のルテニウム色素を用いた場合は、赤外領域である900nmにおいて、吸収を示さなかったが、本発明の光増感剤を用いた場合(実施例1−3)、同領域において明らかな吸収を示した。
[Example 4]
(Production of photovoltaic elements and measurement of conversion efficiency)
A photovoltaic device based on sensitization of a titanium dioxide film supported on a conductive substrate was produced as follows (see FIG. 1).
After colloidal TiO 2 particles (particle size: 20-30 nm) are applied on conductive glass (fluorine-doped SnO 2 , 10Ω) and baked at 450 ° C. for 30 minutes (film thickness: 10 μm), light is applied on it. TiO 2 particles (particle size: 300 to 400 nm) were applied and baked at 520 ° C. for 1 hour (film thickness: 6 to 8 μm). These two layers were immersed in a TiCl 4 solution for 30 minutes and then heated at 450 ° C. for 30 minutes.
The obtained film was immersed in the novel dye (photosensitizer) / ethanol solution (3.0 × 10 −4 mol / L) for 15 hours to form a dye layer. The obtained substrate and the Pt surface of the glass with the Pt thin film are combined, and an acetonitrile solution containing 0.5 mol / L lithium iodide and 0.05 mol / L iodine is soaked by capillary action, and the periphery is an epoxy adhesive. Sealed with. A lead wire was connected to the conductive layer portion of the transparent conductive substrate and the counter electrode.
For comparison, a solar cell using a ruthenium dye (comparative example) (Rutenium 535-bisTBA: manufactured by SOLARONIX) generally used in a photovoltaic cell as a dye was prepared.
Table 1 shows the result of measuring the incident photon-current conversion efficiency (IPCE) by irradiating the cell thus obtained with monochromatic light of pseudo-sunlight 900 nm.
From Table 1, when the conventional ruthenium dye was used, absorption was not shown in the infrared region of 900 nm, but when the photosensitizer of the present invention was used (Example 1-3), the same region. Showed clear absorption.

Figure 2010209131
Figure 2010209131

1 透明導電性基板
2 対向電極基板
3 光増感剤を吸着した半導体層
4 電解質層
5 シール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transparent conductive substrate 2 Counter electrode substrate 3 Semiconductor layer 4 which adsorbed photosensitizer 4 Electrolyte layer 5 Seal

本発明の光増感剤は、可視領域において、幅広く光を吸収し、変換効率を上げることができ、色素増感型太陽電池に好適に用いられる。   The photosensitizer of the present invention can absorb light widely in the visible region and increase the conversion efficiency, and is suitably used for a dye-sensitized solar cell.

Claims (3)

一般式(I)で表される金属錯体からなり、量子化学のプログラム計算(DFT計算)を用いて算出したHOMOが−5.2〜−4.9eV、LUMOが−3.7〜−3.45の範囲にあり、かつHOMO/LUMOのギャップが1.20〜1.55eVの範囲にあることを特徴とする光増感剤。
ML (I)
(ここで、Mは周期表第8族遷移金属を示し、L、Lは少なくとも芳香族環またはピリジン環を含む配位子であり、同一でも異なっていても良く、また、LあるいはLは少なくともいずれかにCOOH基またはOH基を含む。)
It consists of a metal complex represented by the general formula (I), and has a HOMO of −5.2 to −4.9 eV and a LUMO of −3.7 to −3. 45. A photosensitizer characterized by being in the range of 45 and having a HOMO / LUMO gap in the range of 1.20 to 1.55 eV.
ML 1 L 2 X n (I)
(Here, M represents a Group 8 transition metal in the periodic table, L 1 and L 2 are ligands containing at least an aromatic ring or a pyridine ring, which may be the same or different, and L 1 or L 2 contains at least one COOH group or OH group.)
前記一般式(I)において、Lが下記一般式(II)で表されるキノリンを含む2座配位子のいずれかを示し、Lは下記一般式(a)〜(g)で表される配位子のいずれかを示し、Xは、独立にハロゲン原子、CN、NCS、SCN、NCOおよびNCNから選ばれるイオン性の配位子で、Lが式(a)および式(g)以外のときは、独立にn=2または下記一般式(III)に示されるいずれかの2座配位子を表わし、Lが式(a)または式(g)である場合は、ハロゲン原子、CN、NCS、SCN、NCOおよびNCNから選ばれるイオン性の配位子を示し、n=1であることを特徴とする請求項1に記載の光増感剤。
Figure 2010209131
(ここで、R、Rは同一でも異なっていても良く、少なくともどちらか一方がCOOHを含む基である。同一でない場合、他方は、水素、炭素数1〜30のアルキル基、アルケニル基、アリール基、アラルキル基、アルコキシ基またはアミノ基を表す。)
Figure 2010209131
(R21〜R32はそれぞれ独立に、水素、炭素数1〜30のアルキル基、アルケニル基、アリール基、アルコキシ基、OH基、ハロゲン、アミノ基、シアノ基またはニトロ基を示す。Yは、O、SまたはNR13を示す。R13は炭素数1〜30のアルキル基、アリール基またはアラルキル基を表す。)
Figure 2010209131
(式(III)中、R33〜R35は、それぞれ同一でも異なっていても良く、水素、炭素数1〜30のアルキル基、炭素数2〜30のアルコキシアルキル基、炭素数1〜30のパーフルオロアルキル基、炭素数6〜30のアリール基、または炭素数7〜30のアラルキル基を表す。R36は、水素、シアノ基、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のパーフルオロアルキル基、または炭素数6〜15のアリール基を表し、R36同士が結合して環を形成してもよい。)
In the general formula (I), L 1 represents any of the bidentate ligands containing a quinoline represented by the following general formula (II), and L 2 is represented by the following general formulas (a) to (g). X is an ionic ligand independently selected from a halogen atom, CN, NCS, SCN, NCO and NCN 2 , wherein L 2 is a group represented by the formula (a) and the formula ( When other than g), n = 2 independently represents any bidentate ligand represented by the following general formula (III), and when L 2 is the formula (a) or the formula (g), 2. The photosensitizer according to claim 1, wherein the photosensitizer is an ionic ligand selected from a halogen atom, CN, NCS, SCN, NCO, and NCN 2 , and n = 1.
Figure 2010209131
(Here, R 1 and R 2 may be the same or different, and at least one of them is a group containing COOH. When they are not the same, the other is hydrogen, an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, or an alkenyl group. Represents an aryl group, an aralkyl group, an alkoxy group or an amino group.)
Figure 2010209131
(R 21 to R 32 each independently represents hydrogen, an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, an alkenyl group, an aryl group, an alkoxy group, an OH group, a halogen, an amino group, a cyano group, or a nitro group. Y represents Represents O, S or NR 13. R 13 represents an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, an aryl group or an aralkyl group.
Figure 2010209131
(In the formula (III), R 33 to R 35 may be the same or different and are each hydrogen, an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, an alkoxyalkyl group having 2 to 30 carbon atoms, or an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms. A perfluoroalkyl group, an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, or an aralkyl group having 7 to 30 carbon atoms, R 36 is hydrogen, a cyano group, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms. (It represents a perfluoroalkyl group or an aryl group having 6 to 15 carbon atoms, and R 36 may be bonded to form a ring.)
少なくとも1つの金属酸化物半導体層を有する光起電力素子であって、前記金属酸化物半導体層が請求項1または2に記載の光増感剤を含むことを特徴とする光起電力素子。   A photovoltaic device having at least one metal oxide semiconductor layer, wherein the metal oxide semiconductor layer includes the photosensitizer according to claim 1.
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