JP2011018633A - 染料感応太陽電池用染料及びこれを利用して製造された染料感応太陽電池 - Google Patents

染料感応太陽電池用染料及びこれを利用して製造された染料感応太陽電池 Download PDF

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Abstract

【課題】高効率を示す染料感応太陽電池用染料を提供すること、または、前記染料感応太陽電池用染料を含んで、電流密度及び光電変換効率が改善され、暗電流の発生が抑制される染料感応太陽電池を提供する。
【解決手段】染料感応太陽電池用染料は、化学式１で示される化合物、これに類似する化合物、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される物質を含む。
Figure 2011018633

【選択図】なし

Description

本記載は、染料感応太陽電池用染料及びこれを利用して製造された染料感応太陽電池に関するものである。
最近、直面したエネルギー問題を解決するために、従来の化石燃料を代替することのできる多様な研究が進められてきている。特に、数十年以内で枯渇する石油資源を代替するために、風力、原子力、太陽力などの自然エネルギーを活用するための広い範囲の研究が進められてきている。これらの中で太陽エネルギーを利用した太陽電池は、その他のエネルギー源とは違って資源が無限でかつ環境親和的であるので、１９８３年セレニウム（Ｓｅ、Ｓｅｌｅｎｉｕｍ）太陽電池を開発したその後、最近はシリコン太陽電池が脚光を浴びている。
しかし、このようなシリコン太陽電池は製作費用が非常に高価であるため実用化が難しく、電池効率を改善するにも多くの問題が伴う。このような問題を克服するために、製作費用を著しく低い染料感応太陽電池の開発が積極的に検討されてきている。
染料感応太陽電池はシリコン太陽電池とは違って、可視光線を吸収して、電子と正孔が対を成したエキシトン（ｅｘｃｉｔｏｎ）を生成できる感光性染料分子、及び生成された電子を伝達する遷移金属酸化物を主な構成材料とする光電気化学的太陽電池である。従来の染料感応太陽電池の中での代表的な研究開発としては、１９９１年度スイス国立ローザンヌ高等技術院（ＥＰＦＬ）のマイケルグラチェル（Ｍｉｃｈａｅｌ ｇｒａｔｚｅｌ）の研究チームが開発したナノ粒子酸化チタン（アナタゼ型，ａｎａｔａｓｅ ｐｈａｓｅ）を利用した染料感応太陽電池がある。このような染料感応太陽電池は従来のシリコン太陽電池に比べて製造単価が安価であり、透明な電極により建物外壁ガラス窓やガラス温室などに応用が可能であるという利点があるが、光電変換効率が低いため、実際の適用には制限がある状況である。したがって、光電変換効率向上のための新しい技術の開発が切実に要請されている実情である。
本発明の一実施形態によれば、高効率を示す染料感応太陽電池用染料を提供する。
本発明の他の一実施形態によれば、前記染料感応太陽電池用染料を含んで、電流密度（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）及び光電変換効率（ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が改善され、暗電流（ｄａｒｋ ｃｕｒｒｅｎｔｓ）の発生が抑制される染料感応太陽電池を提供する。
本発明の一実施形態は、下記の化学式１で示される化合物、下記の化学式２で示される化合物、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される物質を含む染料感応太陽電池用染料を提供する。
Figure 2011018633
Figure 2011018633
前記化学式１及び化学式２で、
Ｒ１乃至Ｒ３、Ｒ９乃至Ｒ１２、Ｒ１３乃至Ｒ１５、及びＲ２１乃至Ｒ２３は同一であるかまたは互いに相違しており、それぞれ独立して水素、置換されたまたは非置換の芳香族有機基、置換されたまたは非置換のヘテロ環基、置換されたまたは非置換の脂肪族有機基、置換されたまたは非置換の脂環族有機基、及びこれらの組み合わせからなる群より選択され、
Ｒ４乃至Ｒ８及びＲ１６乃至Ｒ２０は同一であるかまたは互いに相違しており、それぞれ独立して水素、または置換されたまたは非置換の脂肪族有機基であり、
ＸはＯまたはＳであり、
Ｙ１及びＹ２は同一であるかまたは互いに相違しており、それぞれ独立して酸性作用基またはヒドロキシ基であり、
ｎ１及びｎ６はそれぞれ独立して０乃至４の整数であり、
ｎ２及びｎ７はそれぞれ独立して１乃至４の整数であり、
ｎ３及びｎ８はそれぞれ独立して０乃至２の整数であり、
ｎ４及びｎ９はそれぞれ独立して１乃至４の整数であり、
ｎ５及びｎ１０はそれぞれ独立して０乃至３の整数であり、
ｎ４＋ｎ５は４以下の整数であり、
ｎ９＋ｎ１０は４以下の整数である。
具体的には、前記Ｒ１、Ｒ２、Ｒ１３、及びＲ１４は同一であるかまたは互いに相違しており、それぞれ独立して置換されたまたは非置換のＣ９乃至Ｃ３０芳香族有機基、置換されたまたは非置換のＣ２乃至Ｃ３０ヘテロ環基、置換されたまたは非置換のＣ１３乃至Ｃ３０脂肪族有機基、置換されたまたは非置換のＣ３乃至Ｃ３０脂環族有機基、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される。より具体的には、前記Ｒ１及びＲ２のうちの少なくとも一つ、そしてＲ１３及びＲ１４のうちの少なくとも一つは置換されたまたは非置換のフルオレニル基（ｆｌｕｏｒｅｎｙｌ ｇｒｏｕｐ）であることができる。
具体的には、前記Ｒ９及びＲ２１は同一であるかまたは互いに相違しており、それぞれ独立して置換されたまたは非置換のＣ５乃至Ｃ１５脂肪族有機基であることができる。
具体的には、前記Ｙ１及びＹ２は同一であるかまたは相違しており、それぞれ独立してカルボキシル基、スルホン酸基、燐酸基、ヒドロキシ基、及びこれらの組み合わせからなる群より選択されることができる。
具体的に前記染料感応太陽電池用染料は、下記の化学式３−１で示される化合物を含むことができる。
Figure 2011018633
前記化学式３−１で、Ｒ９は、前記化学式１で定義されたことと同一である。
より具体的には、前記染料感応太陽電池用染料は、下記の化学式３−２で示される化合物を含むことができる。
Figure 2011018633
前記染料感応太陽電池用染料は長い波長領域の光を吸収するものであり、前記長い波長領域は可視光線領域乃至赤外線領域であることができる。具体的には、前記長い波長領域は４００ｎｍ乃至８５０ｎｍの波長を有する領域である。
本発明の他の一実施形態は、伝導性透明基板を含む第１電極、前記第１電極のある一面に形成された光吸収層、前記光吸収層が形成された第１電極に対向して配置される第２電極、及び前記第１電極と第２電極の間に位置する電解質を含む染料感応太陽電池を提供する。前記光吸収層は半導体微粒子及び前記染料感応太陽電池用染料を含む。
前記伝導性透明基板は、インジウム錫酸化物、フルオリン錫酸化物、ＺｎＯ−（Ｇａ２Ｏ３またはＡｌ２Ｏ３）、酸化錫、酸化亜鉛、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される物質を含むガラス基板またはプラスチック基板であることができる。前記プラスチック基板は、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリイミド、トリアセチルセルロース、及びこれらの組み合わせからなる群より選択されたものを含むことができる。
前記半導体微粒子は、半導体性元素、金属酸化物、ペロブスカイト構造を有する複合金属酸化物、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される。前記半導体微粒子の具体的な例としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＷＯ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＳｒＯ３、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される。
前記半導体微粒子は５０ｎｍ以下の平均粒子直径を有することができる。
前記光吸収層は、下記の化学式４で示される化合物を含む添加剤をさらに含むことができる。
Figure 2011018633
前記化学式４で、Ｚは水素、ヒドロキシ基、ハロゲン基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、置換されたまたは非置換のアミノ基、置換されたまたは非置換のアシル基、置換されたまたは非置換のアシルオキシ基、置換されたまたは非置換のアルキル基、置換されたまたは非置換のシクロアルキル基、置換されたまたは非置換のハロアルキル基、置換されたまたは非置換のアルキルスルホニル基、置換されたまたは非置換のアリールスルホニル基、置換されたまたは非置換のアルキルチオ基、置換されたまたは非置換のアルコキシ基、置換されたまたは非置換のアルコキシスルホニル基、置換されたまたは非置換のアルコキシカルボニル基、置換されたまたは非置換のアリール基、置換されたまたは非置換のアリールオキシ基、置換されたまたは非置換のアルケニル基、置換されたまたは非置換のアリールアルキル基、及び置換されたまたは非置換のヘテロ環基からなる群より選択される。
前記添加剤の具体的な例として、ジオキシコリン酸、フェニルプロピオン酸（ｐｈｅｎｙｌ ｐｒｏｐｉｏｎｉｃ ａｃｉｄ）、ドデシルマロン酸（ｄｏｄｅｃｙｌｍａｌｏｎｉｃ ａｃｉｄ）、ドデシルホスホン酸（ｄｏｄｅｃｙｌ ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｃ ａｃｉｄ）、及びこれらの組み合わせからなる群より選択されるものが挙げられる。
前記添加剤は、染料感応太陽電池用染料１００質量部に対して１００乃至３，０００質量部で含まれる。
前記光吸収層の厚さは２５μｍ以下であることができる。
前記第２電極は、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｃ、伝導性高分子、及びこれらの組み合わせからなる群より選択された物質を含むことができる。
その他本発明の実施形態の具体的な事項は以下の詳細な説明に含まれている。
本発明の染料感応太陽電池用染料は太陽電池用光吸収層に適用されて、太陽電池の電流密度及び光電変換効率を改善させ、暗電流発生を抑制することができる。
本発明の一実施例による染料感応太陽電池を概略的に示した模式図である。 前記実施例１の染料感応太陽電池に対する単位波長での光電変換効率（ＩＰＣＥ）の変化を示したグラフである。 前記比較例１の染料感応太陽電池に対する単位波長での光電変換効率（ＩＰＣＥ）の変化を示したグラフである。 前記比較例２の染料感応太陽電池に対する単位波長での光電変換効率（ＩＰＣＥ）の変化を示したグラフである。
以下で、本発明の実施形態を詳しく説明する。ただし、これは例示として提示されるものであって、これによって本発明が制限されるわけではなく、本発明は後述の特許請求の範疇によってのみ定義される。
図面では、多様な層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。図面を使って説明する場合、明細書全体にわたって類似の部分については同一図面符号を付けた。
層、膜、領域、基板などの部分が他の構成要素の「上に」あるという場合、これは他の構成要素の「真上に」ある場合だけでなく、その中間にまた他の構成要素がある場合も含む。反対に、ある部分が他の構成要素の「真上に」あるという場合は、その中間に他の構成要素がないことを意味する。
本明細書で別途の言及がない限り、“アルキル基”とはＣ１乃至Ｃ３０アルキル基を意味し、具体的にはＣ１乃至Ｃ２０アルキル基を意味し、“シクロアルキル基”とはＣ３乃至Ｃ３０シクロアルキル基を意味し、具体的にはＣ３乃至Ｃ２０シクロアルキル基を意味し、“ハロアルキル基”とはＣ１乃至Ｃ３０ハロアルキル基を意味し、具体的にはＣ１乃至Ｃ２０ハロアルキル基を意味し、“アルキルスルホニル基”とはＣ１乃至Ｃ３０アルキルスルホニル基を意味し、具体的にはＣ１乃至Ｃ２０アルキルスルホニル基を意味し、“アリールスルホニル基”とはＣ６乃至Ｃ３０アリールスルホニル基を意味し、具体的にはＣ６乃至Ｃ２０アリールスルホニル基を意味し、“アルキルチオ基”とはＣ１乃至Ｃ３０アルキルチオ基を意味し、具体的にはＣ１乃至Ｃ２０アルキルチオ基を意味し、“アルコキシ基”とはＣ１乃至Ｃ３０アルコキシ基を意味し、具体的にはＣ１乃至Ｃ２０アルコキシ基を意味し、“ハロアルコキシ基”とはＣ１乃至Ｃ３０ハロアルコキシ基を意味し、具体的にはＣ１乃至Ｃ２０ハロアルコキシ基を意味し、“アルコキシスルホニル基”とはＣ１乃至Ｃ３０アルコキシスルホニル基を意味し、具体的にはＣ１乃至Ｃ２０アルコキシスルホニル基を意味し、“アルコキシカルボニル基”とはＣ２乃至Ｃ３０アルコキシカルボニル基を意味し、具体的にはＣ２乃至Ｃ２０アルコキシカルボニル基を意味し、“アシル基”とはＣ１乃至Ｃ３０アシル基を意味し、具体的にはＣ１乃至Ｃ２０アシル基を意味し、“アシルオキシ基”とはＣ１乃至Ｃ３０アシルオキシ基を意味し、具体的にはＣ１乃至Ｃ２０アシルオキシ基を意味し、“アリール基”とはＣ６乃至Ｃ３０アリール基を意味し、具体的にはＣ６乃至Ｃ２０アリール基を意味し、“ヘテロアリール基”とはＣ６乃至Ｃ３０ヘテロアリール基を意味し、具体的にはＣ６乃至Ｃ２０ヘテロアリール基を意味し、“アリールオキシ基”とはＣ６乃至Ｃ３０アリールオキシ基を意味し、具体的にはＣ６乃至Ｃ２０アリールオキシ基を意味し、“アルケニル基”とはＣ２乃至Ｃ３０アルケニル基を意味し、具体的にはＣ２乃至Ｃ２０アルケニル基を意味し、“アルキニル基”とはＣ２乃至Ｃ３０アルキニル基を意味し、具体的にはＣ２乃至Ｃ２０アルキニル基を意味し、“アリールアルキル基”とはＣ６乃至Ｃ３０アリールアルキル基を意味し、具体的にはＣ６乃至Ｃ２０アリールアルキル基を意味し、“ヘテロ環基”とはＣ２乃至Ｃ３０ヘテロ環基を意味し、具体的にはＣ２乃至Ｃ２０ヘテロ環基を意味し、“アルキレン基”とはＣ１乃至Ｃ３０アルキレン基を意味し、具体的にはＣ１乃至Ｃ２０アルキレン基を意味し、“シクロアルキレン基”とはＣ３乃至Ｃ３０シクロアルキレン基を意味し、具体的にはＣ３乃至Ｃ２０シクロアルキレン基を意味し、“アルケニレン基”とはＣ２乃至Ｃ３０アルケニレン基を意味し、具体的にはＣ２乃至Ｃ２０アルケニレン基を意味し、“アリレン基”とはＣ６乃至Ｃ３０のアリレン基を意味し、具体的にはＣ６乃至Ｃ２０のアリレン基を意味する。
本明細書で別途の言及がない限り、“脂肪族有機基”とはＣ１乃至Ｃ３０アルキル基、Ｃ２乃至Ｃ３０アルケニル基、またはＣ２乃至Ｃ３０アルキニル基を意味し、“脂環族有機基”とはＣ３乃至Ｃ３０シクロアルキル基、Ｃ３乃至Ｃ３０シクロアルケニル基、またはＣ３乃至Ｃ３０シクロアルキニル基を意味し、“芳香族有機基”とはＣ６乃至Ｃ３０アリール基を意味する。
本明細書で別途の言及がない限り、“置換”または“置換された”とは、化合物または作用基のうちの水素原子一つ以上がヒドロキシ基、ハロゲン基、ニトロ基、シアノ基、アミノ基、カルボキシル基、スルホニル基、アルキル基、シクロアルキル基、アルコキシ基、ハロアルキル基、ハロアルコキシ基、アシル基、アシルオキシ基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、アルキルチオ基、アルコキシスルホニル基、アルコキシカルボニル基、アリール基、アリールオキシ基、アルケニル基、アリールアルキル基、及びヘテロ環基からなる群より選択される１種以上の置換基に置換されることを意味する。“ヘテロ環基”とは、Ｏ、Ｓ、Ｎ、Ｐ、Ｓｉ、及びこれらの組み合わせからなる群より選択されるヘテロ原子を一つの環内に１乃至３個含む置換されたまたは非置換のＣ２乃至Ｃ３０のシクロアルキル基、置換されたまたは非置換のＣ２乃至Ｃ３０のシクロアルケニル基、置換されたまたは非置換のＣ２乃至Ｃ３０のシクロアルキニル基、または置換されたまたは非置換のＣ２乃至Ｃ３０ヘテロアリール基を意味する。
また、本明細書で“＊”は、同一であるかまたは相違した原子または化学式と連結される部分を意味する。
本明細書で別途の言及がない限り、“長い波長領域”とは可視光線領域乃至赤外線領域を意味し、具体的には波長が４００ｎｍ乃至８５０ｎｍである領域を意味し、より具体的には波長が５５０ｎｍ乃至７５０ｎｍである領域を意味する。
以下、本発明をより詳細に説明する。
染料感応太陽電池で太陽電池が駆動される初段階は、光エネルギーから光電荷を生成する過程である。通常、光電荷の生成のために染料物質を使用するが、前記染料物質は伝導性透明基板を透過した光を吸収することによって励起する。
前記染料物質としては金属複合体が幅広く使用されており、前記金属複合体の中でもルテニウムのモノ、ビスまたはトリス（置換２，２′−ビピリジン）錯塩などが一般に使用されている。しかし、これらは金属複合体からなる底面状態で光によって励起された電子が、再び底面状態に落ちる速度が比較的に速いため、効率が低いという問題がある。このような問題を解決するために、共有結合によって金属複合体に多様な電子伝達物質を導入する事例が多く報告された。しかしながら、共有結合による電子伝達物質の導入はその過程が非常に複雑でかつ難しいため、多様な電子伝達物質を導入し難いという問題がある。
これに対し、本発明の一実施形態では、スクアレインユニット（ｓｑｕａｒａｉｎｅ ｕｎｉｔ）のいずれか一方に二重結合基を含み、前記二重結合によってスクアレインユニットのいずれか一方に連結された下記の化学式５で示される作用基；酸素（Ｏ）に作用基が結合された置換されたまたは非置換のベンゾフラン基；または硫黄（Ｓ）に作用基が結合された置換されたまたは非置換のベンゾチオフェン基；を含む化合物を含む染料を提供することにより、染料感応太陽電池の電流密度及び光電変換効率を改善し、暗電流の発生を抑制することができる。前記酸素（Ｏ）または硫黄（Ｓ）に結合された作用基は、置換されたまたは非置換の芳香族有機基、置換されたまたは非置換のヘテロ環基、置換されたまたは非置換の脂肪族有機基、置換されたまたは非置換の脂環族有機基、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される。
Figure 2011018633
前記化学式５で、
Ｒ９乃至Ｒ１２は同一であるかまたは互いに相違しており、それぞれ独立して水素、置換されたまたは非置換の芳香族有機基、置換されたまたは非置換のヘテロ環基、置換されたまたは非置換の脂肪族有機基、置換されたまたは非置換の脂環族有機基、及びこれらの組み合わせからなる群より選択され、
Ｙ１は酸性作用基またはヒドロキシ基であり、
ｎ４は１乃至４の整数であり、
ｎ５は０乃至３の整数であり、
ｎ４＋ｎ５は４以下の整数である。
より詳しくは、本発明の一実施形態によれば、下記の化学式１で示される化合物、下記の化学式２で示される化合物、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される物質を含む染料感応太陽電池用染料を提供する。
Figure 2011018633
Figure 2011018633
前記化学式１及び化学式２で、
Ｒ１乃至Ｒ３、Ｒ９乃至Ｒ１２、Ｒ１３乃至Ｒ１５、及びＲ２１乃至Ｒ２３は同一であるかまたは互いに相違しており、それぞれ独立して水素、置換されたまたは非置換の芳香族有機基、置換されたまたは非置換のヘテロ環基、置換されたまたは非置換の脂肪族有機基、置換されたまたは非置換の脂環族有機基、及びこれらの組み合わせからなる群より選択され、
Ｒ４乃至Ｒ８及びＲ１６乃至Ｒ２０は同一であるかまたは互いに相違しており、それぞれ独立して水素、または置換されたまたは非置換の脂肪族有機基であり、
ＸはＯまたはＳであり、
Ｙ１及びＹ２は同一であるかまたは互いに相違しており、それぞれ独立して酸性作用基またはヒドロキシ基であり、
ｎ１及びｎ６はそれぞれ独立して０乃至４の整数であり、
ｎ２及びｎ７はそれぞれ独立して１乃至４の整数であり、
ｎ３及びｎ８はそれぞれ独立して０乃至２の整数であり、
ｎ４及びｎ９はそれぞれ独立して１乃至４の整数であり、
ｎ５及びｎ１０はそれぞれ独立して０乃至３の整数であり、
ｎ４＋ｎ５は４以下の整数であり、
ｎ９＋ｎ１０は４以下の整数である。
具体的に、前記Ｒ１、Ｒ２、Ｒ１３、及びＲ１４は同一であるかまたは互いに相違しており、それぞれ独立して置換されたまたは非置換のＣ９乃至Ｃ３０芳香族有機基、置換されたまたは非置換のＣ２乃至Ｃ３０ヘテロ環基、置換されたまたは非置換のＣ１３乃至Ｃ３０脂肪族有機基、置換されたまたは非置換のＣ３乃至Ｃ３０脂環族有機基、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される。より具体的には、前記Ｒ１、Ｒ２、Ｒ１３、及びＲ１４は同一であるかまたは互いに相違しており、それぞれ独立して置換されたまたは非置換のＣ９乃至Ｃ２０芳香族有機基、置換されたまたは非置換のＣ２乃至Ｃ２０ヘテロ環基、置換されたまたは非置換のＣ１３乃至Ｃ２０脂肪族有機基、置換されたまたは非置換のＣ３乃至Ｃ２０脂環族有機基、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される。
前記芳香族有機基の具体的な例としては、フェニル基（ｐｈｅｎｙｌ）、ナフチル基（ｎａｐｈｔｈｙｌ）、キシリル基（ｘｙｌｙｌ）、アントリル基（ａｎｔｈｒｙｌ）、フェナントリル基（ｐｈｅｎａｎｔｈｒｙｌ）、ナフタセニル基（ｎａｐｈｔｈａｃｅｎｙｌ）、ピレニル基（ｐｙｒｅｎｙｌ）、ビフェニリル基（ｂｉｐｈｅｎｙｌｙｌ）、テルフェニリル基（ｔｅｒｐｈｅｎｙｌｙｌ）、トリル基（ｔｏｌｙｌ）、フルオレニル基（ｆｌｕｏｒｅｎｙｌ）、インデニル基（ｉｎｄｅｎｙｌ）、ペリレニル基（ｐｅｒｙｌｅｎｙｌ）などが挙げられる。
また、前記ヘテロ環基の具体的な例としては、チアゾリル基（ｔｈｉａｚｏｌｙｌ）、ベンゾチアゾリル基（ｂｅｎｚｏｔｈｉａｚｏｌｙｌ）、ナフトチアゾリル基（ｎａｐｈｔｏｔｈｉａｚｏｌｙｌ）、ベンゾキサゾリル基（ｂｅｎｚｏｘａｚｏｌｙｌ）、ナフトキサゾリル基（ｎａｐｈｔｏｘａｚｏｌｙｌ）、イミダゾリル基（ｉｍｉｄａｚｏｌｙｌ）、ベンゾイミダゾリル基（ｂａｎｚｏｉｍｉｄａｚｏｌｙｌ）、ナフトイミダゾリル基（ｎａｐｈｔｏｉｍｉｄａｚｏｌｙｌ）、チアゾリル基（ｔｈｉａｚｏｌｙｌ）、ピロリル基（ｐｙｒｒｏｌｙｌ）、ピラジニル基（ｐｙｒａｚｉｎｙｌ）、ピリジル基（ｐｙｒｉｄｙｌ）、インドリル基（ｉｎｄｏｌｙｌ）、イソインドリル基（ｉｓｏｉｎｄｏｌｙｌ）、フリル基（ｆｕｒｙｌ）、ベンゾフリル基（ｂｅｎｚｏｆｕｒｙｌ）、イソベンゾフリル基（ｉｓｏｂｅｎｚｏｆｕｒｙｌ）、キノリル基（ｑｕｉｎｏｌｙｌ）、イソキノリル基（ｉｓｏｑｕｉｎｏｌｙｌ）、キノキサリニル基（ｑｕｉｎｏｘａｌｉｎｙｌ）、カルバゾリル基（ｃａｒｂａｚｏｌｙｌ）、フェナントリジニル基（ｐｈｅｎａｎｔｈｒｉｄｉｎｙｌ）、アクリジニル基（ａｃｒｉｄｉｎｙｌ）、フェナントロリニル基（ｐｈｅｎａｎｔｈｒｏｌｉｎｙｌ）、フェナンジニル基（ｐｈｅｎａｎｚｉｎｙｌ）、フェノチアジニル基（ｐｈｅｎｏｔｈｉａｚｉｎｙｌ）、フェノキサジニル基（ｐｈｅｎｏｘａｚｉｎｙｌ）、オキサゾリル基（ｏｘａｚｏｌｙｌ）、オキサジアゾリル基（ｏｘａｄｉａｚｏｌｙｌ）、フラザニル基（ｆｕｒａｚａｎｙｌ）、チエニル基（ｔｈｉｅｎｙｌ）などが挙げられる。
具体的に、前記Ｒ１及びＲ２のうちの少なくとも一つ、そしてＲ１３及びＲ１４のうちの少なくとも一つは置換されたまたは非置換のフルオレニル基であることができる。
具体的に、前記Ｒ９及びＲ２１は同一であるかまたは互いに相違しており、それぞれ独立して置換されたまたは非置換のＣ１乃至Ｃ１５アルキル基であり、より具体的には、前記Ｒ９及びＲ２１はオクチル基であることができる。
具体的には、前記Ｙ１及びＹ２は同一であるかまたは相違しており、それぞれ独立してカルボキシル基、スルホン酸基、燐酸基、ヒドロキシ基、及びこれらの組み合わせからなる群より選択されるが、これに限定されるのではない。
具体的には、前記Ｒ４乃至Ｒ８及びＲ１６乃至Ｒ２０は同一であるかまたは互いに相違しており、それぞれ独立して水素、または置換されたまたは非置換のＣ１乃至Ｃ１５脂肪族有機基であることができるが、これに限定されるのではない。
具体的には、本発明の一実施形態による染料感応太陽電池用染料は、下記の化学式３−１で示される化合物を含むことができる。
Figure 2011018633
前記化学式３−１で、Ｒ９は前記化学式１で定義されたことと同一である。
より具体的には、本発明の一実施形態による染料感応太陽電池用染料は、下記の化学式３−２で示される化合物を含むことができる。
Figure 2011018633
前記染料感応太陽電池用染料は、電子供与基（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｏｎｏｒ）と電子受容基（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｃｃｅｐｔｏｒ）をスクアレインユニットに連結する。前記スクアレインユニットが強い電子伝達機能を行い、全体的な分子のＬＵＭＯ（ｌｏｗｅｓｔ ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｏｒｂｉｔａｌ）レベルを低くすることによって、長い波長領域の光を効率的に吸収することができるようにする。また、スクアレインユニットはヒドロキシ基（ＯＨ）を有するので、半導体微粒子に吸着する際に補助的なアンカレッジ（ａｎｃｈｏｒａｇｅ）の役割もすることができる。
前記染料感応太陽電池用染料はスクアレインユニットに連結された電子受容基であって、酸性作用基またはヒドロキシ基を含む前記化学式５で示される作用基；酸性作用基またはヒドロキシ基を含む置換されたまたは非置換のベンゾフラン基；または酸性作用基またはヒドロキシ基を含む置換されたまたは非置換のベンゾチオフェン基を含んで、長い波長領域の光を効率的に吸収することができるようにする。前記酸性作用基またはヒドロキシ基は、電子受容基としての機能とアンカレッジとしての機能を全て行うことができる。また前記化学式５で示される作用基の中で窒素（Ｎ）に連結された作用基；前記ベンゾフラン基の酸素（Ｏ）に結合された作用基；及び前記ベンゾチオフェン基の硫黄（Ｓ）に結合された作用基は疎水性（ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ）であり、分厚い（ｂｕｌｋｙ）ので、三ヨウ化イオン（ｔｒｉｉｏｄｉｄｅ ｉｏｎ、Ｉ３ −）の攻撃から窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、硫黄（Ｓ）を保護することができ、その結果、暗電流の発生を抑制することができる。
前記染料感応太陽電池用染料は、電子供与基、スクアレインユニット、及び電子受容基が線状で連結された構造を有することによって分子内の電荷分離が容易になり、したがって電荷が励起状態で存在する時間が長くなることによって光電変換効率を改善させる。
これにより、前記染料感応太陽電池用染料は長い波長領域の光で高効率を達成することができる。
前記染料感応太陽電池用染料は多様な染料感応太陽電池に用いられる。例えば、前記染料感応太陽電池用染料は有機化合物を含むので精製が容易であり、従来の染料に比べて長い波長領域の光で高い吸光係数を有することによって、薄膜型太陽電池に用いることができる。前記染料感応太陽電池用染料は長い波長領域の光、例えば、赤外線領域の光を吸収する透明な染料であって、建物一体型の太陽電池にも用いることができる。また、前記染料感応太陽電池用染料は短い波長領域の光を吸収する有機染料と混合使用するタンデム型（ｔａｎｄｅｍ）太陽電池に使用することにより、光電変換効率をより改善させることもできる。
本発明は他の一実施形態によれば、前記染料感応太陽電池用染料を含む染料感応太陽電池を提供する。
以下、図１を参照して、前記染料感応太陽電池を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による染料感応太陽電池１００を概略的に示した断面図である。
図１を参照してより詳しく説明すれば、染料感応太陽電池１００は、２個の透明板状電極（作動電極（ｗｏｒｋｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）１１及び相対電極（ｃｏｕｎｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）１４が互いに面接合されたサンドイッチ構造である。前記透明電極のうちの作動電極１１は、その相対電極１４と対向する一面に光吸収層１２が形成されており、前記光吸収層１２には、半導体微粒子、そして前記半導体微粒子に吸着し、長い波長領域の光の吸収によって電子が励起する光感応染料が含まれている。また、この二電極の間の空間は酸化還元用電解質１３で満たされている。
染料感応太陽電池１００内に太陽光が入射されれば、光量子はまず光吸収層１２内の染料感応太陽電池用染料分子に吸収され、これによって染料感応太陽電池用染料分子は基底状態から励起状態に電子を移転させて、電子と正孔が対を成したエキシトンを形成する。前記励起状態の電子は半導体微粒子界面の伝導帯（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）に注入され、注入された電子は界面を通して作動電極１１に伝達される。その後、外部回路を通して相対電極１４に移動する。一方、電子遷移の結果で酸化された染料感応太陽電池用染料は、電解質層１３内の酸化−還元カップルのイオンによって還元され、酸化された前記イオンは電荷中性（ｃｈａｒｇｅ ｎｅｕｔｒａｌｉｔｙ）を組成するために相対電極１４の界面に到達した電子と還元反応をすることにより、前記染料感応太陽電池１００が作動するようになる。
前記作動電極１１としては、伝導性及び透明性を有する伝導性透明基板であれば特に限定されずに使用することができる。前記伝導性透明基板としては、具体的に、インジウム錫酸化物（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）、フルオリン錫酸化物（ｆｌｕｏｒｉｎｅ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ：ＦＴＯ）、ＺｎＯ−（Ｇａ２Ｏ３またはＡｌ２Ｏ３）、酸化錫、酸化亜鉛、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される物質を含むガラス基板またはプラスチック基板を使用することができる。
また、前記プラスチック基板の具体的な例としては、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＣ）、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ、ＰＰ）、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ、ＰＩ）またはトリアセチルセルロース（ｔｒｉａｃｅｔｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ、ＴＡＣ）などが挙げられる。
前記伝導性透明基板としては、導電性、透明性、及び耐熱性に優れたＳｎＯ２、または費用面で低価なＩＴＯを含むガラス基板を使用することができる。
また、前記伝導性透明基板は、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、及びこれらの組み合わせからなる群より選択された物質でドーピングされることができる。
前記光吸収層１２は、半導体微粒子、そして前記半導体微粒子に吸着し、長い波長領域の光の吸収により電子が励起する本発明の一実施形態による染料感応太陽電池用染料を含む。
前記半導体微粒子はシリコンで代表される半導体性元素以外に、金属酸化物またはペロブスカイト構造を有する複合金属酸化物などを使用することができる。前記半導体は、光励起下で伝導帯電子がキャリアになってアノードに電流を提供するｎ型半導体であるのが好ましい。具体的に例示すれば、前記半導体微粒子としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＷＯ３、Ｎｂ２Ｏ５またはＴｉＳｒＯ３などが挙げられ、より具体的には、アナタゼ型のＴｉＯ２を使用することができる。前記半導体の種類はこれらに限定されるのではなく、これらを単独または２種類以上混合して使用することもできる。
また、前記半導体微粒子は、その表面に吸着した染料感応太陽電池用染料がより多い光を吸収するようにするために、表面積が大きいのが望ましい。したがって、前記半導体微粒子は５０ｎｍ以下の平均粒子直径を有することができ、具体的には１５ｎｍ乃至２５ｎｍの平均粒子直径を有することができる。粒子直径が５０ｎｍを超過すると、表面積が小さくなって触媒効率が低下する恐れがある。
前記染料感応太陽電池用染料は前述の説明と同一である。
前記光吸収層１２はまた、太陽電池の光電変換効率を向上させるために、前記染料感応太陽電池用染料と共に下記の化学式４で示される化合物を含む添加剤をさらに含むことができる。
Figure 2011018633
前記化学式４で、Ｚは、水素、ヒドロキシ基、ハロゲン基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、置換されたまたは非置換のアミノ基、置換されたまたは非置換のアシル基、置換されたまたは非置換のアシルオキシ基、置換されたまたは非置換のアルキル基、置換されたまたは非置換のシクロアルキル基、置換されたまたは非置換のハロアルキル基、置換されたまたは非置換のアルキルスルホニル基、置換されたまたは非置換のアリールスルホニル基、置換されたまたは非置換のアルキルチオ基、置換されたまたは非置換のアルコキシ基、置換されたまたは非置換のアルコキシスルホニル基、置換されたまたは非置換のアルコキシカルボニル基、置換されたまたは非置換のアリール基、置換されたまたは非置換のアリールオキシ基、置換されたまたは非置換のアルケニル基、置換されたまたは非置換のアリールアルキル基、及び置換されたまたは非置換のヘテロ環基からなる群より選択される。
具体的に、前記添加剤は、下記の化学式６で示されるジオキシコリン酸、フェニルプロピオン酸（ｐｈｅｎｙｌ ｐｒｏｐｉｏｎｉｃ ａｃｉｄ）、ドデシルマロン酸（ｄｏｄｅｃｙｌｍａｌｏｎｉｃ ａｃｉｄ）、ドデシルホスホン酸（ｄｏｄｅｃｙｌ ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｃ ａｃｉｄ）、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される。
Figure 2011018633
前記添加剤は、染料感応太陽電池用染料１００質量部に対して１００乃至３，０００質量部で含まれ、具体的には１００乃至２，０００質量部で含まれる。添加剤の含有量が前記範囲内であれば、染料感応太陽電池用染料が固まらずに半導体微粒子に効率的に吸着できる。
前記光吸収層１２は厚さが２５μｍ以下であることができ、具体的には１μｍ乃至２５μｍであることができ、より具体的には５μｍ乃至２５μｍであることができる。光吸収層１２の厚さが前記範囲内であれば直列抵抗が小さくなり、作動電極１１までの電子伝達効率が向上するので、太陽電池の光電変換効率を改善させることができる。
前記相対電極１４としては、導電性物質であればいずれのものも制限なく使用可能であり、絶縁性の物質であっても、作動電極１１と対向している側に導電層が形成されていれば使用可能である。具体的には、前記相対電極１４として、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｃ、伝導性高分子、及びこれらの組み合わせからなる群より選択されるものを使用することができる。
また、前記相対電極１４としては、インジウム錫酸化物（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）、フルオリン錫酸化物（ｆｌｕｏｒｉｎｅ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ：ＦＴＯ）、ＺｎＯ−（Ｇａ２Ｏ３またはＡｌ２Ｏ３）、酸化錫、酸化亜鉛、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される物質を含むガラス基板またはプラスチック基板に、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｃ、伝導性高分子、及びこれらの組み合わせからなる群より選択された物質を含む導電層が形成されたものを使用することができる。
前記相対電極１４は、酸化還元の触媒効果を向上させる目的で、作動電極１１と対向している側で表面積を増加させられるように微細構造を有することができる。例えば、ＰｔまたはＡｕの場合はブラック状態（本発明での‘ブラック状態’とは担持体担持されていない状態を意味する）であることができ、カーボンの場合は多孔質状態であることができる。特に、白金ブラック（Ｐｔ−ｂｌａｃｋ）状態は白金の陽極酸化法、塩化白金酸処理などによって形成することができ、また、多孔質状態のカーボンは、カーボン微粒子の焼結や有機ポリマーの焼成などの方法によって形成することができる。
前記電解質層１３は電解質を含む層である。前記電解質はヨウ化イオン（ｉｏｄｉｄｅ、Ｉ−）／三ヨウ化イオン（ｔｒｉｉｏｄｉｄｅ、Ｉ３ −）対を含むことによって、酸化、還元によって相対電極１４から電子を受けて染料感応太陽電池用染料に伝達する役割を果たし、この時、開放回路の電圧は、染料感応太陽電池用染料のエネルギー準位と電解質の酸化、還元準位の差によって決定される。
前記電解質は作動電極１１及び相対電極１４の間で均一に分散しており、また、光吸収層１２に浸潤することもできる。
前記電解質としては、例えば、ヨードをアセトニトリルに溶解した溶液などを用いることができるが、これに限定されるのではなく、正孔伝導機能があるものであれば制限なく使用することができる。
前述のような構造を有する本発明の一実施形態による染料感応太陽電池は、伝導性透明基板を使用して第１電極を製造する段階；前記第１電極の一面に半導体微粒子及び染料感応太陽電池用染料を含む光吸収層を形成する段階；第２電極を製造する段階；前記光吸収層が形成された第１電極と第２電極が互いに対向するように第１電極及び第２電極を配置させた後、第１電極と第２電極の間に電解質を埋立、密封する段階；を含む製造方法によって製造される。
前述の構造を有する太陽電池の製造方法は当該分野に広く知られていて、当該分野に務める者には十分に理解できる内容であるので、本明細書で詳細な説明は省略する。ただし、本発明の主要特徴の光吸収層の形成工程についてのみ詳しく説明する。
まず、伝導性透明基板を用意して、第１電極とする。
次に、半導体微粒子を含むペーストを前記伝導性透明基板の一面にコーティングし、熱処理して、多孔質膜の形態に半導体微粒子層を形成することができる。
この時、コーティング法によって要求されるペーストの物性も少しずつ変わるが、一般にドクターブレードまたはスクリーン印刷などの方法でペーストをコーティングすることもでき、透明膜形成のためには、スピンコーティングまたはスプレー方法を利用することもできる。その他にも一般的な湿式コーティング方法を適用することができる。熱処理は、バインダーを添加した場合には４００乃至６００℃で３０分程度実施することができ、バインダーを添加しなかった場合には２００℃以下の温度で実施する。
また、多孔質膜の多孔性を維持するための目的で、多孔質膜に高分子を添加して熱処理（４００乃至６００℃）することができる。この時、高分子として、熱処理後に有機物が残存しないものを使用するのが好ましい。具体的には、エチレンセルロース（ＥＣ）、ヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＣ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）またはポリビニルピリドン（ＰＶＰ）などを使用することができる。この中で塗布法を含む塗布条件を考慮して、適した分子量を有するものを適切に選択して使用する。このような高分子を添加すれば、多孔性向上の以外にも、分散性向上、粘度増加による成膜性及び基板との付置力向上が期待される。
前記製造された半導体微粒子層に、染料感応太陽電池用染料を含む分散液を噴射、塗布または浸漬して半導体微粒子に染料感応太陽電池用染料を吸着することによって、染料感応太陽電池用染料層を形成することができる。前記分散液は、染料感応太陽電池用染料と共に、太陽電池の光電変換効率を上げられる添加剤をさらに含むことができる。前記添加剤は前述のことと同一である。前記添加剤は、最終に製造された太陽電池の光吸収層内に染料感応太陽電池用染料１００質量部に対して１００乃至３，０００質量部で含まれるように、分散液中に０．３ｍＭ乃至６０ｍＭの濃度で含まれ、具体的には５ｍＭ乃至４０ｍＭの濃度で含まれる。分散液中の添加剤の含有量が前記範囲内であれば、染料感応太陽電池用染料が固まらずに半導体微粒子に効率的に吸着できる。
染料感応太陽電池用染料の吸着は、染料感応太陽電池用染料を含む分散液に半導体微粒子層が形成された第１電極を浸漬させた後、１２時間程度が過ぎれば自然に吸着するようになる。前記染料感応太陽電池用染料は前述のことと同一である。また、前記染料感応太陽電池用染料を分散させる溶媒としては、特に限定されるのではないか、アセトニトリル、ジクロロメタンまたはアルコール系溶媒などを使用することができる。
また、前記染料感応太陽電池用染料を含む分散液は、長い波長領域の光の吸収を改善して効率を向上させるために、多様なカラーの有機色素をさらに含むことができる。この時、有機色素としては、クマリン（ｃｕｍａｒｉｎ）、またはポルフィリン（ｐｏｒｐｈｙｒｉｎ）の一種のフェオフォルバイドＡ（ｐｈｅｏｐｈｏｒｂｉｄｅ ａ）などを使用することができる。
前記染料感応太陽電池用染料層を形成した後、溶媒洗浄などの方法によって吸着されなかった染料感応太陽電池用染料を洗浄することにより、光吸収層を製造することができる。
別途の伝導性透明基板上に電解メッキ、スパッタリングまたは電子ビーム蒸着などの物理気相蒸着法（ＰＶＤ）を利用して導電性物質を含む導電層を形成することにより、第２電極を用意する。
前記光吸収層と第２電極が互いに対向するように第１電極及び第２電極を配置させた後、光吸収層と第２電極の間に電解質を埋込し、密封して、本発明の一実施形態による染料感応太陽電池を製造する。
前記第１電極及び第２電極は接着剤を使用して面接合されることができる。接着剤としては熱可塑性高分子フィルムを用いることができ、一例に商品名サーリン（ｓｕｒｌｙｎ、トュポン社製）を使用することができる。このような熱可塑性高分子フィルムを二つの電極の間に位置させた後、加熱プレスして密閉させる。接着剤のまた他の種類としてはエポキシ樹脂または紫外線（ＵＶ）硬化剤を用いることができ、この場合には、熱処理またはＵＶ処理の後に硬化させることもできる。
［実施例］
以下、本発明の実施例及び比較例を記載する。しかし、下記の実施例は本発明の一実施例であるだけであり、本記載が下記の実施例によって限定されるわけではない。
（製造例１）染料感応太陽電池用染料の製造
下記反応式１での反応を通して染料感応太陽電池用染料３を合成した。
Figure 2011018633
前記反応式１を参照して染料感応太陽電池用染料３の合成過程をより詳しく説明すれば、まず、４−（ビス（９，９−ジメチル−９Ｈ−フルオレン−２−イル）アミノ）ベンズアルデヒド（４−（ｂｉｓ（９，９−ｄｉｍｅｔｈｙｌ−９Ｈ−ｆｌｕｏｒｅｎ−２−ｙｌ）ａｍｉｎｏ）ｂｅｎｚａｌｄｅｈｙｄｅ））（３ｂ）（１．９１ｇ、３．７７ｍｍｏｌ）、３−イソプロポキシ−４−メチルシクロブト−３−エン−１，２−ジオン）（３−ｉｓｏｐｒｏｐｏｘｙ−４−ｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｂｕｔ−３−ｅｎｅ−１，２−ｄｉｏｎｅ）（３ａ）（０．５８ｇ、３．７７ｍｍｏｌ）、トリエチルアミン（ＮＥｔ３）（０．５５４ｍｌ、３．９５ｍｍｏｌ）、及び無水酢酸（Ａｃ２Ｏ）（０．３６９ｍｌ、３．９５ｍｍｏｌ）混合溶液を８時間還流及び攪拌した後、常温で冷却した。前記冷却された混合溶液に水（３０ｍｌ）とジクロロメタン（５０ｍｌ）を添加して、有機層を抽出した。抽出した有機層をＭｇＳＯ４で１次乾燥し、再び真空雰囲気で２次乾燥した後、シリカゲルを利用したクロマトグラフィーを実施して、化合物（３ｃ）を分離した。
次に、前記分離された化合物（３ｃ）、ジオキサン（２ｍｌ）及び塩酸（０．５ｍｌ）を混合して製造した混合溶液の温度を６０℃まで上昇させて、２時間還流及び攪拌した後、乾燥して、乾燥物を収得した。水（３０ｍｌ）とジクロロメタン（５０ｍｌ）の混合溶媒に前記乾燥物を添加した後、有機層を抽出した。抽出した有機層をＭｇＳＯ４で１次乾燥し、再び前記真空雰囲気で２次乾燥した後、シリカゲルを利用したクロマトグラフィーを実施して、化合物（３ｄ）を分離した。
前記化合物（３ｄ）（０．２ｇ、０．３１６ｍｍｏｌ）を、５−カルボキシ−２，３，３−トリメチル−１−オクチル−３Ｈ−インドリウムヨウ化物（５−ｃａｒｂｏｘｙ−２，３，３−ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ−１−ｏｃｔｙｌ−３Ｈ−ｉｎｄｏｌｉｕｍ ｉｏｄｉｄｅ）（３ｅ）（０．１４３ｇ、０．３１６ｍｍｏｌ）と共にベンゼン（４０ｍｌ）とｎ−ブタノール（３０ｍｌ）に溶解した後、２４時間還流及び攪拌して、混合溶液を製造した。
前記混合溶液を、回転蒸発器を利用して真空雰囲気で乾燥して、乾燥物を収得した。水（３０ｍｌ）とジクロロメタン（５０ｍｌ）の混合溶媒に前記乾燥物を添加した後、有機層を抽出した。抽出した有機層をＭｇＳＯ４で１次乾燥し、再び前記真空雰囲気で２次乾燥した後、シリカゲルを利用したクロマトグラフィーを実施して、化合物３を分離した。
（実施例１）染料感応太陽電池の製造
インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）透明伝導体の上に粒径５ｎｍ乃至１５ｎｍ程度の大きさの二酸化チタン（ｔｉｔａｎｉｕｍ ｄｉｏｘｉｄｅ、ＴｉＯ２）分散液を、ドクターブレード法を利用して１ｃｍ２の面積に塗布し、４５０℃で３０分間熱処理焼成工程を経て、１８μｍ厚さの多孔性二酸化チタン厚膜を製作した。その後、前記多孔性二酸化チタン厚膜を８０℃で維持した後、前記化学式３で示される化合物をエタノールに溶解した０．３ｍＭ染料感応太陽電池用染料分散液に、１０ｍＭ濃度でジオキシコリン酸を添加した溶液に浸漬して、染料吸着処理を１２時間以上実施した。
その後、染料感応太陽電池用染料が吸着された多孔性二酸化チタン厚膜をエタノールを利用して洗浄し、常温乾燥して、光吸収層が形成された第１電極を製造した。
第２電極としては、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）透明伝導体の上にスパッタリングを利用して、約２００ｎｍ厚さでＰｔ層を蒸着した。電解質注入のために、０．７５ｍｍｍｍ直径のドリルを利用して微細孔を形成して、第２電極を製作した。
６０μｍ厚さの熱可塑性高分子フィルムを第１電極と第２電極の間において、１００℃で９秒間圧着させることによって二つの電極を接合させた。第２電極に形成された微細孔を介して酸化還元電解質を注入させ、カバーグラスと熱可塑性高分子フィルムを利用して微細孔を密封することによって、染料感応太陽電池を製作した。この時に利用された酸化−還元電解質は、０．６２Ｍの１，２−ジメチル−３−ヘキシルイミダゾリウムヨウ化物（１，２−ｄｉｍｅｔｈｙｌ−３−ｈｅｘｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ ｉｏｄｉｄｅ）、０．５Ｍの２−アミノピリミジン（２−ａｍｉｎｏｐｙｒｉｍｉｄｉｎｅ）、０．１ＭのＬｉＩと０．０５ＭのＩ２をアセトニトリル溶媒に溶解させたものを利用した。
（比較例１）染料感応太陽電池の製造
インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）透明伝導体の上に、粒径５ｎｍ乃至１５ｎｍ程度大きさの二酸化チタン分散液をドクターブレード法を利用して１ｃｍ２面積に塗布し、４５０℃で３０分間熱処理焼成工程を経て、１８μｍ厚さの多孔性二酸化チタン厚膜を製作した。その後、前記多孔性二酸化チタン厚膜を８０℃で維持した後、下記の化学式７で示される化合物をエタノールに溶解した０．３ｍＭ染料感応太陽電池用染料分散液に、１０ｍＭ濃度でジオキシコリン酸を添加した溶液に浸漬して、染料吸着処理を１２時間以上実施した。
その後、染料感応太陽電池用染料が吸着された多孔性二酸化チタン厚膜を、エタノールを利用して洗浄し、常温乾燥して、光吸収層が形成された第１電極を製造した。
第２電極としては、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）透明伝導体の上にスパッタリングを利用して、約２００ｎｍ厚さでＰｔ層を蒸着した。電解質注入のために０．７５ｍｍ直径のドリルを利用して微細孔を形成して、第２電極を製作した。
６０μｍ厚さの熱可塑性高分子フィルムを第１電極と第２電極の間におき、１００℃で９秒間の圧着させることによって二つの電極を接合させた。第２電極に形成された微細孔を介して酸化還元電解質を注入させ、カバーグラスと熱可塑性高分子フィルムを利用して微細孔を密封することによって、染料感応太陽電池を製作した。この時に利用された酸化−還元電解質は、０．６２Ｍの１，２−ジメチル−３−ヘキシルイミダゾリウムヨウ化物（１，２−ｄｉｍｅｔｈｙｌ−３−ｈｅｘｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ ｉｏｄｉｄｅ）、０．５Ｍの２−アミノピリミジン、０．１ＭのＬｉＩと０．０５ＭのＩ２をアセトニトリル溶媒に溶解したものを利用した。
Figure 2011018633
（比較例２）染料感応太陽電池の製造
染料感応太陽電池用染料として下記の化学式８で示される化合物を使用したのを除いては、前記比較例１と同一な方法で実施して、染料感応太陽電池を製造した。
Figure 2011018633
（試験例１）染料感応太陽電池の物性評価
前記実施例１、比較例１、及び比較例２で製造された染料感応太陽電池に対して光電流電圧を測定し、測定された光電流曲線から開放回路電圧（ｏｐｅｎ−ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ、Ｖｏｃ）、電流密度（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｕｒｒｅｎｔ、Ｊｓｃ）、及び充填係数（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ、ＦＦ）を計算した。また、これより染料感応太陽電池の効率を評価した。その結果を下記表１に示した。
この時、光源としてはゼノンランプ（ｘｅｎｏｎ ｌａｍｐ、Ｏｒｉｅｌ、０１１９３）を使用し、前記ゼノンランプの太陽条件（ＡＭ１．５）は標準太陽電池（Ｆｒｕｎｈｏｆｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｓｏｌａｒｅ Ｅｎｇｅｒｉｅｓｓｙｓｔｅｍｅ， Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｅ Ｎｏ． Ｃ−ＩＳＥ３６９， Ｔｙｐｅ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ： Ｍｏｎｏ−Ｓｉ＋ＫＧフィルター）を使用して補正した。
前記実施例１、比較例１、及び比較例２の染料感応太陽電池に対する単位波長での光電変換効率（ＩＰＣＥ、ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｐｈｏｔｏｎ ｔｏ ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）の変化を測定した。この時、測定機器としてＳＲ−８１０（ＰＶ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ Ｉｎｃ．）を使用して、各波長領域で染料感応太陽電池の光電変換値の強度を測定した。その結果で現れた光電変換効率変化グラフを図２、図３、及び図４にそれぞれ示した。
Figure 2011018633
前記表１に示されているように、実施例１の染料感応太陽電池は電流密度（Ｊｓｃ）が比較例１及び比較例２の染料感応太陽電池より優れている。また、図２乃至図４に示されたように、実施例１の染料感応太陽電池は４００ｎｍ乃至８００ｎｍの幅広い波長領域で光を吸収することができるが、比較例１の染料感応太陽電池は６００ｎｍ乃至７００ｎｍの波長領域でのみ光を吸収し、比較例２は５５０ｎｍ乃至７００ｎｍの波長領域でのみ光を吸収することができる。
したがって、実施例１の染料感応太陽電池は、可視光線領域だけでなく赤外線（ＩＲ）領域の光までも効果的に吸収して光エネルギーを電気エネルギーに変換させることができるので、比較例１及び比較例２の染料感応太陽電池より電流密度が優れていることを確認することができる。
また、前記表１に示されているように、実施例１の染料感応太陽電池の光電変換効率は比較例１の染料感応太陽電池の光電変換効率より優れており、比較例２の染料感応太陽電池の光電変換効率と相応する水準である。
以上で、本発明の一実施形態による実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明の範囲内で多様に変形して実施するのが可能であり、これもまた本発明の範囲に属するのは当然である。
１１ 作動電極
１２ 光吸収層
１３ 電解質層
１４ 相対電極
１００ 染料感応太陽電池

Claims (20)

  1. 下記の化学式１で示される化合物、下記の化学式２で示される化合物、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される物質を含む染料感応太陽電池用染料。
    Figure 2011018633
    Figure 2011018633
     前記化学式１及び化学式２で、
    Ｒ１乃至Ｒ３、Ｒ９乃至Ｒ１２、Ｒ１３乃至Ｒ１５、及びＲ２１乃至Ｒ２３は同一であるかまたは互いに相違しており、それぞれ独立して水素、置換されたまたは非置換の芳香族有機基、置換されたまたは非置換のヘテロ環基、置換されたまたは非置換の脂肪族有機基、置換されたまたは非置換の脂環族有機基、及びこれらの組み合わせからなる群より選択され、
    Ｒ４乃至Ｒ８、及びＲ１６乃至Ｒ２０は同一であるかまたは互いに相違しており、それぞれ独立して水素、または置換されたまたは非置換の脂肪族有機基であり、
    ＸはＯまたはＳであり、
    Ｙ１及びＹ２は同一であるかまたは互いに相違しており、それぞれ独立して酸性作用基またはヒドロキシ基であり、
    ｎ１及びｎ６はそれぞれ独立して０乃至４の整数であり、
    ｎ２及びｎ７はそれぞれ独立して１乃至４の整数であり、
    ｎ３及びｎ８はそれぞれ独立して０乃至２の整数であり、
    ｎ４及びｎ９はそれぞれ独立して１乃至４の整数であり、
    ｎ５及びｎ１０はそれぞれ独立して０乃至３の整数であり、
    ｎ４＋ｎ５は４以下の整数であり、
    ｎ９＋ｎ１０は４以下の整数である。
  2. 前記Ｒ１、Ｒ２、Ｒ１３、及びＲ１４は同一であるかまたは互いに相違しており、それぞれ独立して置換されたまたは非置換のＣ９乃至Ｃ３０芳香族有機基、置換されたまたは非置換のＣ２乃至Ｃ３０ヘテロ環基、置換されたまたは非置換のＣ１３乃至Ｃ３０脂肪族有機基、置換されたまたは非置換のＣ３乃至Ｃ３０脂環族有機基、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１に記載の染料感応太陽電池用染料。
  3. 前記Ｒ１及びＲ２のうちの少なくとも一つ、そして前記Ｒ１３及びＲ１４のうちの少なくとも一つは置換されたまたは非置換のフルオレニル基である、請求項１に記載の染料感応太陽電池用染料。
  4. 前記Ｒ９及びＲ２１は同一であるかまたは互いに相違しており、それぞれ独立して置換されたまたは非置換のＣ５乃至Ｃ１５脂肪族有機基である、請求項１に記載の染料感応太陽電池用染料。
  5. 前記Ｙ１及びＹ２は同一であるかまたは相違しており、それぞれ独立してカルボキシル基、スルホン酸基、燐酸基、ヒドロキシ基、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１に記載の染料感応太陽電池用染料。
  6. 前記染料感応太陽電池用染料は、下記の化学式３−１で示される化合物を含む、請求項１に記載の染料感応太陽電池用染料：
    Figure 2011018633
     前記化学式３−１で、Ｒ９は、前記化学式１で定義されたことと同一である。
  7. 前記染料感応太陽電池用染料は、下記の化学式３−２で示される化合物を含む、請求項１に記載の染料感応太陽電池用染料。
    Figure 2011018633
  8. 前記染料感応太陽電池用染料は長い波長領域の光を吸収するものであり、前記長い波長領域は可視光線領域乃至赤外線領域である、請求項１に記載の染料感応太陽電池用染料。
  9. 前記長い波長領域は４００ｎｍ乃至８５０ｎｍの波長を有する領域である、請求項８に記載の染料感応太陽電池用染料。
  10. 伝導性透明基板を含む第１電極；
    前記第１電極のある一面に形成された光吸収層；
    前記光吸収層が形成された第１電極に対向して配置される第２電極；及び
    前記第１電極と第２電極の間に位置する電解質を含み、
    前記光吸収層は、半導体微粒子及び前記請求項１乃至９のうちのいずれか一項による染料感応太陽電池用染料を含む染料感応太陽電池。
  11. 前記伝導性透明基板は、インジウム錫酸化物、フルオリン錫酸化物、ＺｎＯ−（Ｇａ２Ｏ３またはＡｌ２Ｏ３）、酸化錫、酸化亜鉛、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される物質を含むガラス基板またはプラスチック基板である、請求項１０に記載の染料感応太陽電池。
  12. 前記プラスチック基板は、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリイミド、トリアセチルセルロース、及びこれらの組み合わせからなる群より選択されたものを含む、請求項１１に記載の染料感応太陽電池。
  13. 前記半導体微粒子は、半導体性元素、金属酸化物、ペロブスカイト構造を有する複合金属酸化物、及びこれらの組み合わせからなる群より選択されるものである、請求項１０に記載の染料感応太陽電池。
  14. 前記半導体微粒子はＳｉ、Ｇｅ、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＷＯ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＳｒＯ３、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１０に記載の染料感応太陽電池。
  15. 前記半導体微粒子は５０ｎｍ以下の平均粒子直径を有する、請求項１０に記載の染料感応太陽電池。
  16. 前記光吸収層は、下記の化学式４で示される化合物を含む添加剤をさらに含む、請求項１０に記載の染料感応太陽電池。
    Figure 2011018633
     前記化学式４で、Ｚは水素、ヒドロキシ基、ハロゲン基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、置換されたまたは非置換のアミノ基、置換されたまたは非置換のアシル基、置換されたまたは非置換のアシルオキシ基、置換されたまたは非置換のアルキル基、置換されたまたは非置換のシクロアルキル基、置換されたまたは非置換のハロアルキル基、置換されたまたは非置換のアルキルスルホニル基、置換されたまたは非置換のアリールスルホニル基、置換されたまたは非置換のアルキルチオ基、置換されたまたは非置換のアルコキシ基、置換されたまたは非置換のアルコキシスルホニル基、置換されたまたは非置換のアルコキシカルボニル基、置換されたまたは非置換のアリール基、置換されたまたは非置換のアリールオキシ基、置換されたまたは非置換のアルケニル基、置換されたまたは非置換のアリールアルキル基、及び置換されたまたは非置換のヘテロ環基からなる群より選択されるものである。
  17. 前記添加剤は、ジオキシコリン酸、フェニルプロピオン酸、ドデシルマロン酸、ドデシルホスホン酸、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１６に記載の染料感応太陽電池。
  18. 前記添加剤は、染料感応太陽電池用染料１００質量部に対して１００乃至３，０００質量部で含まれる、請求項１６に記載の染料感応太陽電池。
  19. 前記光吸収層は２５μｍ以下の厚さを有する、請求項１０に記載の染料感応太陽電池。
  20. 前記第２電極はＰｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｃ、伝導性高分子、及びこれらの組み合わせからなる群より選択された物質を含む、請求項１０に記載の染料感応太陽電池。
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