JP2011026412A - Pigment for photoelectric conversion element and photoelectric conversion element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、色素を用いた光電変換素子およびその光電変換素子に好適に用いられる色素に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element using a dye and a dye suitably used for the photoelectric conversion element.
従来、多様な技術分野において、色素が広く使用されている。一例を挙げると、太陽電池などの光電変換素子の分野では、光増感作用を有する色素を用いた色素増感型光電変換素子に用いられている。この色素増感型光電変換素子は、理論的に高い効率が期待でき、従来のシリコン半導体を用いた光電変換素子より、コスト的に非常に有利であると考えられている。 Conventionally, dyes are widely used in various technical fields. As an example, in the field of photoelectric conversion elements such as solar cells, they are used for dye-sensitized photoelectric conversion elements using a dye having a photosensitizing action. This dye-sensitized photoelectric conversion element can be expected to have a theoretically high efficiency, and is considered to be very advantageous in terms of cost compared to a conventional photoelectric conversion element using a silicon semiconductor.
色素増感型光電変換素子は、色素の担持体として酸化物半導体を有する電極を有している。この色素増感型光電変換素子では、色素が入射した光を吸収して励起され、励起された色素が電子を担持体に注入することにより、光電変換が行われる。 The dye-sensitized photoelectric conversion element has an electrode having an oxide semiconductor as a dye carrier. In this dye-sensitized photoelectric conversion element, the dye is absorbed and excited by the incident light, and the excited dye injects electrons into the carrier to perform photoelectric conversion.
このように色素増感型光電変換素子に用いられる色素としては、ルテニウム錯体系色素や、有機色素が知られている。特に、有機色素は、比較的安定性が高く、容易に合成可能であるため、種々の検討がなされている。具体的には、変換効率などの向上を目的として、メチン鎖骨格の両端にインドレニン骨格が結合した構造と共に、酸化物半導体電極に吸着するためのアンカー基としてカルボン酸基を有するシアニン系色素が用いられている(例えば、特許文献1参照)。また、その他に、メチン鎖を有するカチオン色素と、メチン鎖を有するアニオン色素とを併せて用いる技術も知られている(例えば、特許文献2参照)。 Thus, ruthenium complex dyes and organic dyes are known as dyes used in dye-sensitized photoelectric conversion elements. In particular, since organic dyes are relatively stable and can be easily synthesized, various studies have been made. Specifically, for the purpose of improving the conversion efficiency, a cyanine dye having a structure in which an indolenine skeleton is bonded to both ends of a methine chain skeleton and a carboxylic acid group as an anchor group for adsorbing to an oxide semiconductor electrode is provided. Used (see, for example, Patent Document 1). In addition, a technique using a cationic dye having a methine chain and an anionic dye having a methine chain in combination is also known (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、従来のシアニン系色素や、メチン鎖を有する色素を用いた光電変換素子では、十分な変換効率が得られているわけではなく、変換効率の更なる向上が望まれている。 However, a conventional photoelectric conversion element using a cyanine dye or a dye having a methine chain does not have a sufficient conversion efficiency, and further improvement of the conversion efficiency is desired.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、変換効率を向上させることが可能な光電変換素子用色素および光電変換素子を提供することにある。 This invention is made | formed in view of this problem, The objective is to provide the pigment | dye for photoelectric conversion elements which can improve conversion efficiency, and a photoelectric conversion element.
本発明の光電変換素子用色素は、化学式(1)で表されるシアニン構造を有するものである。また、本発明の光電変換素子は、色素と、この色素を担持した担持体とを有する電極を備え、色素は、化学式(1)に示したシアニン構造と同じ構造を有するシアニン化合物を含むものである。 The pigment | dye for photoelectric conversion elements of this invention has a cyanine structure represented by Chemical formula (1). In addition, the photoelectric conversion element of the present invention includes an electrode having a dye and a carrier carrying the dye, and the dye contains a cyanine compound having the same structure as the cyanine structure shown in chemical formula (1).
なお、上記した「誘導体」とは、置換基中の水素原子が他の原子あるいは原子団に置換された基のことをいい、水素原子の代わりに導入される原子としては、例えば、ハロゲン原子などが挙げられ、水素原子の代わりに導入される原子団としては、例えば、水酸基、ニトロ基、シアノ基、アシル基、酸性基、飽和環状炭化水素基、不飽和環状炭化水素基、芳香族環基あるいは複素環基などが挙げられる。また、「脱離して二重結合を形成してもよい」とは、例えば、化学式(2)に示した、R10およびR11のうちのいずれか一方とR12およびR13のうちのいずれか一方とが脱離して、R10およびR11が導入された炭素原子とR12およびR13が導入された炭素原子との間の結合が二重結合になってもよいことをいう。さらに、化学式(11)中で説明したハロゲン化アルキル基およびハロゲン化アルコキシ基の「ハロゲン化」とは、アルキル基およびアルコキシ基が含む水素原子の一部あるいは全部をハロゲン元素のうちの1種あるいは2種以上の原子で置換された基のことをいう。 The above-mentioned “derivative” refers to a group in which a hydrogen atom in a substituent is substituted with another atom or atomic group. Examples of the atom introduced instead of the hydrogen atom include a halogen atom and the like. Examples of the atomic group introduced instead of a hydrogen atom include a hydroxyl group, a nitro group, a cyano group, an acyl group, an acidic group, a saturated cyclic hydrocarbon group, an unsaturated cyclic hydrocarbon group, and an aromatic ring group. Or a heterocyclic group etc. are mentioned. In addition, “may be eliminated to form a double bond” means, for example, that one of R10 and R11 and one of R12 and R13 shown in chemical formula (2) is By desorption, the bond between the carbon atom into which R10 and R11 are introduced and the carbon atom into which R12 and R13 are introduced may be a double bond. Further, the “halogenation” of the halogenated alkyl group and the halogenated alkoxy group described in the chemical formula (11) means that a part or all of the hydrogen atoms contained in the alkyl group and the alkoxy group are one kind of halogen elements or A group substituted with two or more atoms.
本発明の光電変換素子用色素および光電変換素子では、化学式(1)に示したシアニン構造は、メチン鎖骨格(Q)の両端に結合した複素環骨格(R1,R2)のうちの少なくとも一方としてキノリン骨格あるいはピリジン骨格を含んでいる。これにより、メチン鎖の両端に5員環骨格が結合したシアニン色素と比較して、分子全体としてのπ共役が広くなるため、光吸収ピークがブロード化し、光吸収波長域が広くなる。その上、化学式(1)に示したシアニン構造では、R1中の複素環骨格に含まれる窒素原子に対して、カルボン酸基あるいはカルボン酸イオン基(Y1〜Y5)を有するアルキレン基(R14,R24,R31,R36またはR41)が導入され、担持体との結合に寄与するアンカー基として機能する。このため、他の位置や、他の構造のアンカー基を有する色素と比較して、担持体に対する電子注入効率が高くなる。これらのことから、化学式(1)に示したシアニン構造を有する化合物(以下、化学式(1)に示したシアニン化合物という)では、担持体に担持された状態で光が照射されると、広い波長域の光を吸収して励起されると共に、担持体に対して電子を効率よく注入することができる。よって、色素として化学式(1)に示したシアニン化合物を用いた光電変換素子では、照射された光量に対して担持体への電子注入量の割合が高くなり、光電変換の効率が向上する。 In the dye for photoelectric conversion element and photoelectric conversion element of the present invention, the cyanine structure represented by the chemical formula (1) has at least one of the heterocyclic skeletons (R1, R2) bonded to both ends of the methine chain skeleton (Q). Contains quinoline skeleton or pyridine skeleton. Thereby, as compared with a cyanine dye having a five-membered ring skeleton bonded to both ends of the methine chain, π conjugation as a whole molecule is broadened, so that a light absorption peak is broadened and a light absorption wavelength region is widened. Moreover, in the cyanine structure represented by the chemical formula (1), an alkylene group (R14, R24) having a carboxylic acid group or a carboxylic acid ion group (Y1 to Y5) with respect to the nitrogen atom contained in the heterocyclic skeleton in R1. , R31, R36 or R41) is introduced and functions as an anchor group contributing to the bond with the carrier. For this reason, the electron injection efficiency with respect to a support body becomes high compared with the pigment | dye which has an anchor group of another position and another structure. For these reasons, a compound having a cyanine structure represented by the chemical formula (1) (hereinafter referred to as a cyanine compound represented by the chemical formula (1)) has a wide wavelength when irradiated with light in a state of being carried on the carrier. In addition to being excited by absorbing light in the region, electrons can be efficiently injected into the carrier. Therefore, in the photoelectric conversion element using the cyanine compound represented by the chemical formula (1) as the dye, the ratio of the amount of electrons injected into the carrier with respect to the amount of light irradiated is increased, and the efficiency of photoelectric conversion is improved.
本発明の光電変換素子用色素および光電変換素子では、化学式(1)中のR1が化学式(2−1)で表される基であることが好ましい。一般的なシアニン化合物(メチン鎖骨格の両端に複素環骨格が結合した構造を含む化合物)では、そのメチン鎖骨格および複素環骨格を構成する炭素原子およびヘテロ原子が平面上に並んだような構造(平面性が高い構造)になりやすい。分子構造の平面性が高くなると分子同士が会合してダイマーなどの会合体を形成しやすくなり、会合体を形成した色素は光電変換に寄与しにくくなる。ところが、R1がインドレニン骨格を含む化学式(2−1)に示した基を有することにより、R15およびR16の少なくとも一方として導入されるベンジル基あるいはアルキル基が、メチン鎖骨格および複素環骨格を含む平面に対して上面側および下面側の双方の空間に張り出すように配置される。このため、分子全体として平面性が低くなり、会合しにくくなる。よって、色素として化学式(1)に示したシアニン化合物を用いた光電変換素子では、化学式(1)中のR1として化学式(2−1)に示した基を有する場合に、担持体に担持された色素全体における光電変換に寄与しにくい会合体の割合が低下するため、光電変換の効率が良好になる。 In the photoelectric conversion element dye and the photoelectric conversion element of the present invention, R1 in the chemical formula (1) is preferably a group represented by the chemical formula (2-1). In general cyanine compounds (compounds having a structure in which a heterocyclic skeleton is bonded to both ends of the methine chain skeleton), a structure in which carbon atoms and heteroatoms constituting the methine chain skeleton and the heterocyclic skeleton are arranged in a plane (Structure with high flatness). When the planarity of the molecular structure is increased, molecules are likely to associate with each other to form an association such as a dimer, and the dye that has formed the association is less likely to contribute to photoelectric conversion. However, when R1 has the group represented by the chemical formula (2-1) including an indolenine skeleton, the benzyl group or alkyl group introduced as at least one of R15 and R16 includes a methine chain skeleton and a heterocyclic skeleton. It arrange | positions so that it may protrude in the space of both the upper surface side and lower surface side with respect to a plane. For this reason, the planarity of the whole molecule becomes low and it becomes difficult to associate. Therefore, in the photoelectric conversion element using the cyanine compound represented by the chemical formula (1) as the dye, when it has a group represented by the chemical formula (2-1) as R1 in the chemical formula (1), it was supported on the support. Since the ratio of the aggregate that hardly contributes to photoelectric conversion in the entire dye is decreased, the efficiency of photoelectric conversion is improved.
また、本発明の光電変換素子用色素および光電変換素子では、化学式(1)中のQは炭素原子数3のメチン鎖を骨格とする連結基であると共にR2は化学式(7)または化学式(8)に示した基であることが好ましい。光吸収波長域がより広くなると共に担持体への電子注入効率がより高くなるからである。また、化学式(1)中のQは炭素原子数5のメチン鎖にシアノ基が導入された連結基であってもよい。さらに、化学式(2)〜化学式(6),化学式(2−1)に示した基のR14,R24,R31,R36およびR41はエチレン基であってもよい。いずれの場合であっても、担持体への電子注入効率が高くなりやすく、良好に光電変換が行われる。 In the photoelectric conversion element dye and photoelectric conversion element of the present invention, Q in chemical formula (1) is a linking group having a skeleton of a methine chain having 3 carbon atoms, and R2 is chemical formula (7) or chemical formula (8). It is preferable that it is a group shown in (4). This is because the light absorption wavelength region becomes wider and the efficiency of electron injection into the carrier becomes higher. Further, Q in the chemical formula (1) may be a linking group in which a cyano group is introduced into a methine chain having 5 carbon atoms. Furthermore, R14, R24, R31, R36 and R41 of the groups represented by the chemical formulas (2) to (6) and (2-1) may be ethylene groups. In either case, the efficiency of electron injection into the carrier tends to be high, and photoelectric conversion is performed satisfactorily.
さらに、本発明の光電変換素子では、担持体は、酸化亜鉛(ZnO)を含むことが好ましい。これにより、光電変換の効率がさらに向上する。 Furthermore, in the photoelectric conversion element of the present invention, the support preferably contains zinc oxide (ZnO). Thereby, the efficiency of photoelectric conversion further improves.
本発明の光電変換素子用色素によれば、化学式(1)に示したシアニン構造を有するので、その構造をもたない色素と比較して、広い波長域の光を吸収して励起されると共に、担持された担持体に対する電子注入効率が向上する。よって、本発明の光電変換素子によれば、担持体に担持された色素が化学式(1)に示したシアニン構造を有する化合物を含むようにしたので、変換効率を向上させることができる。この場合、化学式(1)中のR1が上記した化学式(2−1)に示した基であれば、会合体の形成が抑制されるため、より変換効率を向上させることができる。また、化学式(1)中のQが炭素原子数3のメチン鎖を骨格とする連結基であると共にR2が化学式(7)または化学式(8)に示した基であれば、光吸収波長域の拡大および担持体への電子注入効率の向上により、より変換効率を向上させることができる。 According to the dye for photoelectric conversion elements of the present invention, since it has the cyanine structure represented by the chemical formula (1), it is excited by absorbing light in a wide wavelength range as compared with a dye having no structure. The electron injection efficiency for the supported carrier is improved. Therefore, according to the photoelectric conversion element of the present invention, since the dye supported on the support contains the compound having the cyanine structure represented by the chemical formula (1), the conversion efficiency can be improved. In this case, if R1 in the chemical formula (1) is a group shown in the above chemical formula (2-1), formation of an aggregate is suppressed, so that the conversion efficiency can be further improved. In addition, when Q in chemical formula (1) is a linking group having a methine chain having 3 carbon atoms as a skeleton and R2 is a group represented by chemical formula (7) or chemical formula (8), Conversion efficiency can be further improved by enlarging and improving the efficiency of electron injection into the carrier.
また、特に、色素を担持する担持体が酸化亜鉛を含んでいれば、変換効率をより向上させることができる。 In particular, the conversion efficiency can be further improved if the carrier carrying the dye contains zinc oxide.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明の一実施の形態に係る色素は、色素増感型の光電変換素子に用いられるもの(光電変換素子用)であり、化学式(1)で表されるシアニン構造を有するもの(以下、化学式(1)に示したシアニン化合物という。)である。化学式(1)に示したシアニン化合物は、例えば、金属酸化物半導体材料などを含む担持体に対して吸着性(結合性)を有すると共に、光を吸収して励起され、電子をその担持体に対して注入することができる化合物である。 A dye according to an embodiment of the present invention is used for a dye-sensitized photoelectric conversion element (for a photoelectric conversion element) and has a cyanine structure represented by the chemical formula (1) (hereinafter, chemical formula). (Referred to as the cyanine compound shown in (1)). The cyanine compound represented by the chemical formula (1) has, for example, an adsorptive property (bonding property) to a support including a metal oxide semiconductor material, and is excited by absorbing light to the electron. It is a compound that can be injected.
なお、化学式(1)では、シアニン化合物が、メチン鎖骨格(Q)とその両端に導入された複素環骨格(R1,R2)中の2つの窒素原子との間で共鳴構造をとっていることを表している。よって、化学式(1)では、R1の複素環骨格中に含まれる窒素原子が正に帯電した状態(N+ )の構造式を表しているが、化学式(1)に示したシアニン化合物は、この構造式で表される構造に限定されるものではない。例えば、化学式(1)中のR2の複素環骨格中に含まれる窒素原子が正に帯電した状態になっていてもよい。この場合、R2の複素環骨格中に含まれる窒素原子とその窒素原子のQ側に隣り合った炭素原子との間に二重結合を形成するように、メチン鎖骨格中の炭素原子間の結合、およびR1の複素環骨格中に含まれる窒素原子とその窒素原子のQ側に隣り合った炭素原子との結合において、二重結合および単結合が交互になる構造式で表される共鳴構造をとっていてもよい。また、共鳴構造を有するように他の構造式で表されるものであってもよい。このことは、後述する化学式等においても同様である。 In the chemical formula (1), the cyanine compound has a resonance structure between the methine chain skeleton (Q) and two nitrogen atoms in the heterocyclic skeleton (R1, R2) introduced at both ends thereof. Represents. Therefore, the chemical formula (1) represents a structural formula in which the nitrogen atom contained in the heterocyclic skeleton of R1 is positively charged (N + ). The cyanine compound represented by the chemical formula (1) It is not limited to the structure represented by the structural formula. For example, the nitrogen atom contained in the heterocyclic skeleton of R2 in the chemical formula (1) may be in a positively charged state. In this case, the bond between the carbon atoms in the methine chain skeleton so as to form a double bond between the nitrogen atom contained in the heterocyclic skeleton of R2 and the carbon atom adjacent to the Q side of the nitrogen atom. And a resonance structure represented by a structural formula in which double bonds and single bonds are alternated in a bond between a nitrogen atom contained in the heterocyclic skeleton of R1 and a carbon atom adjacent to the Q side of the nitrogen atom. It may be taken. Moreover, you may represent with another structural formula so that it may have a resonance structure. The same applies to chemical formulas and the like described later.
化学式(1)に示したシアニン化合物は、R1,R2およびそれらR1,R2の間を連結するメチン鎖骨格(Q)を有する構造部と、この構造部に応じて含まれるアニオン(Zp-)とにより構成されている。この化学式(1)に示したシアニン化合物では、発色団であるメチン鎖骨格(Q)の炭素原子数が1以上7以下の範囲内であるため、シアニン化合物の光吸収ピーク波長が紫外光域から近赤外光域の間にあることになる。この光吸収ピークは、R1およびR2のうちの少なくとも一方がキノリン骨格あるいはピリジン骨格を含むことによって分子全体としてのπ共役が広がるため、キノリン骨格およびピリジン骨格を持たないシアニン化合物の光吸収ピークよりも、ピーク強度が確保された状態でブロード化する。すなわち、キノリン骨格あるいはピリジン骨格を有することにより、化学式(1)に示したシアニン化合物の光吸収波長域の幅は、キノリン骨格等をもたないシアニン化合物の光吸収波長域の幅よりも広くなる。しかも、R1中の複素環骨格の窒素原子に導入されている、カルボン酸基あるいはカルボン酸イオン基を有するアルキル鎖は担持体との結合に寄与するアンカー基として機能する。これにより、担持体に担持された状態で光を吸収して励起されると、担持体に対して効率よく電子が注入される。これらによって、化学式(1)に示したシアニン化合物では、担持体に担持された状態で紫外光域、可視光域および近赤外光域の成分を含む光が照射されると、そのうちの広い波長域の光成分を吸収して励起されて担持体に対して効率よく電子を注入する。従って、色素として化学式(1)に示したシアニン化合物を用いた光電変換素子では、照射された光量に対して担持体への電子注入量の割合が高くなり、変換効率が向上する。なお、化学式(1)に示したシアニン化合物では、化学式(1)中に示した構造を有していれば、その鏡像異性体や、ジアステレオマーまたはそれらの混合物であっても同様の効果が得られる。また、上記した「アンカー基」とは、化合物を担持するための担持体に対して、化学的あるいは静電的な親和力および結合能を有する基のことをいう。このアンカー基は、化学式(1)中のR1に含まれる複素環骨格の窒素原子に導入されていれば、その他にも化学式(1)に示したシアニン構造中に含まれていてもよい。 The cyanine compound represented by the chemical formula (1) includes R1, R2 and a structural part having a methine chain skeleton (Q) that connects R1 and R2 and an anion (Z p− ) contained depending on the structural part. It is comprised by. In the cyanine compound represented by the chemical formula (1), the number of carbon atoms of the methine chain skeleton (Q), which is the chromophore, is in the range of 1 to 7, so that the light absorption peak wavelength of the cyanine compound is from the ultraviolet region. It will be in the near infrared region. This light absorption peak is larger than the light absorption peak of a cyanine compound having no quinoline skeleton and pyridine skeleton because at least one of R1 and R2 includes a quinoline skeleton or a pyridine skeleton so that π conjugation as a whole molecule is expanded. In the state where the peak intensity is secured, it is broadened. That is, by having a quinoline skeleton or a pyridine skeleton, the width of the light absorption wavelength region of the cyanine compound represented by the chemical formula (1) is wider than the width of the light absorption wavelength region of the cyanine compound having no quinoline skeleton or the like. . In addition, the alkyl chain having a carboxylic acid group or a carboxylic acid ion group, which is introduced into the nitrogen atom of the heterocyclic skeleton in R1, functions as an anchor group that contributes to the bond with the carrier. Thereby, when light is absorbed and excited while being carried on the carrier, electrons are efficiently injected into the carrier. As a result, when the cyanine compound represented by the chemical formula (1) is irradiated with light containing components in the ultraviolet light region, visible light region, and near infrared light region in a state of being supported on the carrier, a wide wavelength of the light The light component in the region is absorbed and excited, and electrons are efficiently injected into the carrier. Therefore, in the photoelectric conversion element using the cyanine compound represented by the chemical formula (1) as the dye, the ratio of the amount of electrons injected into the carrier with respect to the irradiated light amount is increased, and the conversion efficiency is improved. The cyanine compound represented by the chemical formula (1) has the same effect as long as it has the structure represented by the chemical formula (1), even if it is an enantiomer, a diastereomer or a mixture thereof. can get. The above-mentioned “anchor group” refers to a group having chemical or electrostatic affinity and binding ability for a support for supporting a compound. As long as this anchor group is introduced into the nitrogen atom of the heterocyclic skeleton contained in R1 in the chemical formula (1), it may be contained in the cyanine structure shown in the chemical formula (1).
次に、化学式(1)に示したシアニン化合物の構成について詳細に説明する。 Next, the structure of the cyanine compound represented by the chemical formula (1) will be described in detail.
化学式(1)中で説明したR1は、ヘテロ原子として窒素原子を含む複素環骨格を有するものである。このR1は、化学式(2)に示した5員環骨格を有する基、化学式(3)に示したキノリン骨格の2位の位置でQの末端と単結合する基、化学式(4)に示したキノリン骨格の4位の位置でQの末端と単結合する基、化学式(5)に示したピリジン骨格の2位の位置でQの末端と単結合する基、あるいは化学式(6)に示したピリジン骨格の4位の位置でQの末端と単結合する基のいずれかである。 R1 described in the chemical formula (1) has a heterocyclic skeleton containing a nitrogen atom as a hetero atom. This R1 is a group having a 5-membered ring skeleton represented by chemical formula (2), a group that is single-bonded to the end of Q at the 2-position of the quinoline skeleton represented by chemical formula (3), and represented by chemical formula (4). A group that is single-bonded to the end of Q at the 4-position of the quinoline skeleton, a group that is single-bonded to the end of Q at the 2-position of the pyridine skeleton shown in chemical formula (5), or a pyridine shown in chemical formula (6) One of the groups that is single-bonded to the end of Q at the 4-position of the skeleton.
まず、化学式(2)に示した基について説明する。化学式(2)中で説明したR10〜R13は、5員環に含まれる炭素原子に導入される基である。R10〜R13の具体例としては、例えば以下のものが挙げられる。R10〜R13がハロゲン原子である場合には、そのハロゲン原子の種類としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子あるいはヨウ素原子などが挙げられる。また、R10〜R13がアルキル基、アルコキシ基、アリール基、アリールアルキル基あるいはそれらの誘導体である場合には、その骨格を構成する炭素原子数も任意である。この場合におけるアルキル基、アルコキシ基、アリール基、アリールアルキル基あるいはそれらの誘導体としては、例えば次のものが挙げられる。すなわち、アルキル基およびその誘導体としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、第2ブチル基、第3ブチル基、イソブチル基、アミル基、イソアミル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、シクロヘキシルエチル基、ヘプチル基、イソヘプチル基、第3ヘプチル基、n−オクチル基、イソオクチル基、第3オクチル基、2−エチルヘキシル基、ノニル基、イソノニル基、デシル基、ドデシル基、ヘキサデシル基、ドコシル基あるいはテトラコシル基などの炭素原子数1〜25のアルキル基や、それらのハロゲン化された基や、それらの基に対して、フェニル基などの芳香族環基、チオフェン基などの複素環基、アセチル基などのアシル基あるいはカルボン酸基などの酸性基が導入された基などが挙げられる。アルコキシ基およびその誘導体としては、メトキシ基、エトキシ基、プロピルオキシ基、イソプロピルオキシ基、ブチルオキシ基、第2ブチルオキシ基、第3ブチルオキシ基、イソブチルオキシ基、アミルオキシ基、イソアミルオキシ基、第3アミルオキシ基、ヘキシルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基、シクロヘキシルメチルオキシ基、シクロヘキシルエチルオキシ基、ヘプチルオキシ基、イソヘプチルオキシ基、第3ヘプチルオキシ基、n−オクチルオキシ基、イソオクチルオキシ基、第3オクチルオキシ基、2−エチルヘキシルオキシ基、ノニルオキシ基、イソノニルオキシ基、デシルオキシ基、ドデシルオキシ基、ヘキサデシルオキシ基あるいはドコシルオキシ基などの炭素原子数1〜20のアルコキシ基や、それらのハロゲン化された基や、それらの基に対して、フェニル基などの芳香族環基、チオフェン基などの複素環基、アセチル基などのアシル基あるいはカルボン酸基などの酸性基が導入された基などが挙げられる。アリール基およびその誘導体としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、アントラセン−1−イル基、テトラセニル基、ペンタセニル基、クリセニル基、トリフェニレニル基、ピレニル基、ピセニル基あるいはペリレニル基などの炭素原子数6〜30のアリール基や、それらのハロゲン化された基や、それらの基に対してメチル基などのアルキル基、メトキシ基などのアルコキシ基、フェニル基などの芳香族環基、チオフェン基などの複素環基、アセチル基などのアシル基あるいはカルボン酸基などの酸性基が導入された基などが挙げられる。アリールアルキル基およびその誘導体としては、例えば、ベンジル基、フェネチル基、2−フェニルプロパン基、ジフェニルメチル基、トリフェニルメチル基、スチリル基、シンナミル基、ナフチルメチル基あるいはビフェニルメチル基などの炭素原子数7〜30のアリールアルキル基や、それらのハロゲン化された基や、それらの基に対してメチル基などのアルキル基、メトキシ基などのアルコキシ基、フェニル基などの芳香族環基、チオフェン基などの複素環基、アセチル基などのアシル基あるいはカルボン酸基などの酸性基が導入された基などが挙げられる。 First, the group represented by the chemical formula (2) will be described. R10 to R13 described in the chemical formula (2) are groups introduced into carbon atoms contained in the 5-membered ring. Specific examples of R10 to R13 include the following. When R10 to R13 are halogen atoms, examples of the halogen atom include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom. Further, when R10 to R13 are an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group, an arylalkyl group, or a derivative thereof, the number of carbon atoms constituting the skeleton is also arbitrary. Examples of the alkyl group, alkoxy group, aryl group, arylalkyl group or derivatives thereof in this case include the following. That is, examples of the alkyl group and derivatives thereof include methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, second butyl group, third butyl group, isobutyl group, amyl group, isoamyl group, hexyl group, and cyclohexyl. Group, cyclohexylmethyl group, cyclohexylethyl group, heptyl group, isoheptyl group, third heptyl group, n-octyl group, isooctyl group, third octyl group, 2-ethylhexyl group, nonyl group, isononyl group, decyl group, dodecyl group Alkyl groups having 1 to 25 carbon atoms such as hexadecyl group, docosyl group or tetracosyl group, halogenated groups thereof, aromatic ring groups such as phenyl groups, thiophene groups, etc. Heterocyclic groups, acyl groups such as acetyl groups or acidic groups such as carboxylic acid groups Etc. introduced group. Alkoxy groups and derivatives thereof include methoxy group, ethoxy group, propyloxy group, isopropyloxy group, butyloxy group, second butyloxy group, third butyloxy group, isobutyloxy group, amyloxy group, isoamyloxy group, third amyloxy group Hexyloxy group, cyclohexyloxy group, cyclohexylmethyloxy group, cyclohexylethyloxy group, heptyloxy group, isoheptyloxy group, third heptyloxy group, n-octyloxy group, isooctyloxy group, third octyloxy group , 2-ethylhexyloxy group, nonyloxy group, isononyloxy group, decyloxy group, dodecyloxy group, hexadecyloxy group or docosyloxy group, etc., and alkoxy groups having 1 to 20 carbon atoms, and their halogenation Groups in which an aromatic group such as a phenyl group, a heterocyclic group such as a thiophene group, an acyl group such as an acetyl group, or an acidic group such as a carboxylic acid group is introduced. Can be mentioned. Examples of the aryl group and derivatives thereof include 6 to 6 carbon atoms such as phenyl group, naphthyl group, anthracen-1-yl group, tetracenyl group, pentacenyl group, chrysenyl group, triphenylenyl group, pyrenyl group, picenyl group, and perylenyl group. 30 aryl groups, halogenated groups thereof, alkyl groups such as methyl groups, alkoxy groups such as methoxy groups, aromatic ring groups such as phenyl groups, and heterocyclic rings such as thiophene groups Group, an acyl group such as an acetyl group, or a group into which an acidic group such as a carboxylic acid group has been introduced. As the arylalkyl group and derivatives thereof, for example, the number of carbon atoms such as benzyl group, phenethyl group, 2-phenylpropane group, diphenylmethyl group, triphenylmethyl group, styryl group, cinnamyl group, naphthylmethyl group or biphenylmethyl group 7-30 arylalkyl groups, halogenated groups thereof, alkyl groups such as methyl groups, alkoxy groups such as methoxy groups, aromatic ring groups such as phenyl groups, thiophene groups, etc. A heterocyclic group, an acyl group such as an acetyl group, or a group introduced with an acidic group such as a carboxylic acid group.
中でも、化学式(2)中のR10〜R13のうちの少なくとも1つは、炭素原子数1以上25以下のアルキル基、炭素原子数1以上20以下のアルコキシ基、アリール基、アリールアルキル基あるいはそれらの誘導体であるのが好ましい。一般的なシアニン化合物(メチン鎖骨格の両端に複素環骨格が結合した構造を含む化合物)では、そのメチン鎖骨格および複素環骨格を構成する炭素原子およびヘテロ原子が平面上に並んだような構造、いわゆる平面性が高い構造になりやすい。分子構造の平面性が高くなると分子同士が重なり合うように会合してダイマーなどの会合体を形成しやすくなる。会合体を形成した色素は、担持体に担持されても電子注入効率が低くなるため、光電変換に寄与しにくくなる。ところが、複素環骨格が含む炭素原子に導入されるR10〜R13は、その炭素原子間において二重結合が形成されていなければ、メチン鎖骨格および複素環骨格を含む平面に対して上面側および下面側の双方の空間に張り出すように配置されることになる。このため、R10〜R13のうちのいずれか1つとして上記した基が導入されると、分子全体として平面性が低くなり、分子同士が会合しにくくなる。よって、光電変換素子に用いた場合に、担持された色素全体における光電変換に寄与しにくい会合体の割合を低下させるため、高い変換効率が得られる。特に、R10〜R13のうちの少なくとも1つは、炭素原子数6以上25以下のアルキル基、炭素数5以上20以下のアルコキシ基、アリール基、アリールアルキル基あるいはそれらの誘導体などの立体的に嵩高い基であることが好ましい。より会合体の形成が抑制され、高い効果が得られるからである。 Among them, at least one of R10 to R13 in the chemical formula (2) is an alkyl group having 1 to 25 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group, an arylalkyl group, or a group thereof. Derivatives are preferred. In general cyanine compounds (compounds having a structure in which a heterocyclic skeleton is bonded to both ends of the methine chain skeleton), a structure in which carbon atoms and heteroatoms constituting the methine chain skeleton and the heterocyclic skeleton are arranged in a plane It tends to be a structure with high so-called flatness. When the planarity of the molecular structure is high, molecules are associated with each other so as to overlap each other, and an aggregate such as a dimer is easily formed. The dye that forms the aggregate is less likely to contribute to photoelectric conversion because the electron injection efficiency is low even when it is supported on the support. However, R10 to R13 introduced into the carbon atoms included in the heterocyclic skeleton are on the upper surface side and the lower surface with respect to the plane including the methine chain skeleton and the heterocyclic skeleton unless a double bond is formed between the carbon atoms. It arrange | positions so that it may overhang into the space of both sides. For this reason, when the above-described group is introduced as any one of R10 to R13, the planarity of the molecule as a whole is lowered and the molecules are less likely to associate with each other. Therefore, when used in a photoelectric conversion element, the ratio of the aggregate that hardly contributes to photoelectric conversion in the entire supported dye is reduced, so that high conversion efficiency is obtained. In particular, at least one of R10 to R13 is sterically bulky such as an alkyl group having 6 to 25 carbon atoms, an alkoxy group having 5 to 20 carbon atoms, an aryl group, an arylalkyl group, or a derivative thereof. A high group is preferred. This is because the formation of aggregates is further suppressed and a high effect is obtained.
ただし、化学式(2)中にも説明したように、R10およびR11のうちの少なくとも一方とR12およびR13のうちの少なくとも一方とは、脱離して二重結合を形成してもよいし、それぞれ連結して環構造を形成してもよい。もちろん、R10およびR11のうちの一方とR12およびR13のうちの一方とが脱離して二重結合を形成すると共に脱離していないR10およびR11のうちの他方とR12およびR13のうちの他方とが連結して環構造を形成してもよい。このように連結して形成される環構造としては、例えば、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、フェナンスレン環、シクロヘキサン環、シクロブタン環、シクロペンタン環、シクロヘキセン環、シクロへブタン環、ピペリジン環、ピベラジン環、ピロリジン環、モルフォリン環、チオモルフォリン環、ピリジン環、ピラジン環、ピリミジン環、ピリダジン環、トリアジン環、キノリン環、イソキノリン環、イミダゾール環、オキサゾール環あるいはイミダゾリジン環などが挙げられる。この環構造は、これらの他、上記した複数の環構造がさらに縮合した構造でもよいし、さらに1種あるいは2種以上の置換基を有するそれらの誘導体であってもよい。中でも、R10〜R13において連結して形成される場合の環構造としては、ベンゼン環、ナフタレン環、フェナンスレン環あるいはそれらの誘導体が好ましい。それら以外の環構造が形成された場合と比較して、担持体に対する電子注入効率が高くなりやすいからである。 However, as explained in chemical formula (2), at least one of R10 and R11 and at least one of R12 and R13 may be eliminated to form a double bond, or each Thus, a ring structure may be formed. Of course, one of R10 and R11 and one of R12 and R13 are eliminated to form a double bond, and the other of R10 and R11 that is not eliminated and the other of R12 and R13 are They may be linked to form a ring structure. Examples of the ring structure formed by linking in this way include, for example, a benzene ring, naphthalene ring, anthracene ring, phenanthrene ring, cyclohexane ring, cyclobutane ring, cyclopentane ring, cyclohexene ring, cycloheptane ring, piperidine ring, and piperazine. Ring, pyrrolidine ring, morpholine ring, thiomorpholine ring, pyridine ring, pyrazine ring, pyrimidine ring, pyridazine ring, triazine ring, quinoline ring, isoquinoline ring, imidazole ring, oxazole ring or imidazolidine ring. In addition to these, the ring structure may be a structure obtained by further condensing the plurality of ring structures described above, or may be a derivative thereof having one or more substituents. Especially, as a ring structure in the case of being connected by R10 to R13, a benzene ring, a naphthalene ring, a phenanthrene ring or a derivative thereof is preferable. This is because the electron injection efficiency into the carrier is likely to be higher than in the case where other ring structures are formed.
化学式(2)中で説明した−R14−Y1で表される基は、上記したように担持体に対して化学的あるいは静電的な親和力および結合能を化合物に付与するアンカー基である。これにより、担持体に担持されると共に担持体に対して効率よく電子が注入される。R14は、アルキレン基であればその構造や炭素原子数は任意である。R14がアルキレン基であるのは、アリーレン基などの他の2価の基と比較して、アンカー基としての担持体に対する吸着能あるいは電子注入能が高まるからである。また、Y1がカルボン酸基あるいはカルボン酸イオン基であるのは、担持体に対する吸着能および電子注入能がスルホン酸基などの酸性基と比較して高いからである。中でも、R14はエチレン基であることが好ましい。すなわち、−R14−Y1で表される基は、−CH2 −CH2 −C(=O)−OHで表される基あるいは−CH2 −CH2 −C(=O)−O- で表される基であるのが好ましい。より高い効果が得られるからである。 The group represented by -R14-Y1 described in the chemical formula (2) is an anchor group that imparts chemical or electrostatic affinity and binding ability to the support as described above. As a result, electrons are efficiently injected into the carrier while being carried by the carrier. If R14 is an alkylene group, its structure and the number of carbon atoms are arbitrary. The reason why R14 is an alkylene group is that the adsorbing ability or electron injecting ability to the carrier as an anchor group is enhanced as compared with other divalent groups such as an arylene group. Y1 is a carboxylic acid group or a carboxylic acid ion group because the adsorption ability and electron injection ability for the carrier are higher than those of acidic groups such as sulfonic acid groups. Among them, R14 is preferably an ethylene group. That is, a group represented by - R14-Y1 is, -CH 2 -CH 2 -C (= O) group represented by -OH or -CH 2 -CH 2 -C (= O ) -O - Table It is preferred that This is because a higher effect can be obtained.
化学式(2)中で説明したXは、上記した2価の基のうちのいずれかであれば任意である。Xが、炭素原子を含む2価の基(−C(R15)(R16)−)、あるいは窒素原子を含む2価の基(−N(R17)−)である場合には、そのR15〜R17の具体例としては、例えば、水素原子の他、化学式(11)に示した基に該当するものを除く、上記したR10〜R13において説明したアルキル基、アルコキシ基、アリール基、アリールアルキル基あるいはその誘導体と同様のものが挙げられる。 X described in chemical formula (2) is arbitrary as long as it is any of the above-described divalent groups. When X is a divalent group containing a carbon atom (—C (R15) (R16) —) or a divalent group containing a nitrogen atom (—N (R17) —), R15 to R17 Specific examples of the alkyl group, alkoxy group, aryl group, arylalkyl group described above in R10 to R13 described above, excluding those corresponding to the group represented by chemical formula (11) in addition to a hydrogen atom, The thing similar to a derivative is mentioned.
また、化学式(2)中のR15〜R17は、化学式(11)に示した基であってもよい。化学式(11)中で説明したハロゲン原子としては、化学式(2)中で説明したハロゲン原子と同様のものが挙げられる。化学式(11)に示した基としては、例えば、ビニル基(−CH=CH2 )、アリル基(−CH2 −CH=CH2 )、1−プロペニル基(−CH=CH−CH3 )、イソプロペニル基(−C(CH3 )=CH2 )、1−ブテニル基(−CH=CH−CH2 −CH3 )、2−ブテニル基(−CH2 −CH=CH−CH3 )、2−メチルアリル基(−CH2 −C(CH3 )=CH2 )、2−ペンテニル基(−CH2 −CH=CH−CH2 −CH3 )、エチニル基(−C≡CH)、2−プロピニル基(−CH2 −C≡CH)、1−プロピニル基(−C≡C−CH3 )、2−ブチニル基(−CH2 −C≡C−CH3 )あるいは3−ブチニル基(−CH2 −CH2 −C≡CH)などの不飽和鎖式炭化水素基や、フォルミル基、アセチル基、プロピオニル基、ブチリル基、バレリル基、イソバレリル基、ピバロイル基あるいはヘキサノイル基などのアシル基または炭素原子数1以上4以下のアルキル鎖の末端にそれらのアシル基を有する基や、カルボン酸エステル結合(−C(=O)−O−)を有する基や、C=N結合を有する基や、シアノ基あるいは炭素原子数1以上4以下のアルキル鎖の末端にシアノ基を有する基などが挙げられる。また、R66とR69、あるいはR67とR68とが連結して環構造を形成した場合の化学式(11)に示した基としては、例えば、シクロヘキセニル基あるいはフェニチル基や、化学式(11−1)で表されるベンジル基や、化学式(11−2)で表されるトリルメチル基(メチルベンジル基)や、その他、化学式(11−3)〜化学式(11−7)で表される基などが挙げられる。なお、これらの基が有する水素原子の一部あるいは全部はハロゲン原子に置換されていてもよい。 In addition, R15 to R17 in the chemical formula (2) may be groups represented by the chemical formula (11). As a halogen atom demonstrated in Chemical formula (11), the thing similar to the halogen atom demonstrated in Chemical formula (2) is mentioned. Examples of the group represented by the chemical formula (11) include a vinyl group (—CH═CH 2 ), an allyl group (—CH 2 —CH═CH 2 ), a 1-propenyl group (—CH═CH—CH 3 ), Isopropenyl group (—C (CH 3 ) ═CH 2 ), 1-butenyl group (—CH═CH—CH 2 —CH 3 ), 2-butenyl group (—CH 2 —CH═CH—CH 3 ), 2 - methylallyl group (-CH 2 -C (CH 3) = CH 2), 2- pentenyl group (-CH 2 -CH = CH-CH 2 -CH 3), ethynyl (-C≡CH), 2-propynyl Group (—CH 2 —C≡CH), 1-propynyl group (—C≡C—CH 3 ), 2-butynyl group (—CH 2 —C≡C—CH 3 ) or 3-butynyl group (—CH 2) -CH 2 -C≡CH) and unsaturated chain hydrocarbon groups such as formyl group, acetyl group, propionyl , Butyryl group, valeryl group, isovaleryl group, pivaloyl group, hexanoyl group, or other acyl group or a group having such an acyl group at the terminal of an alkyl chain having 1 to 4 carbon atoms, or a carboxylate ester bond (-C ( A group having ═O) —O—), a group having a C═N bond, a cyano group or a group having a cyano group at the terminal of an alkyl chain having 1 to 4 carbon atoms. Examples of the group represented by the chemical formula (11) when R66 and R69 or R67 and R68 are linked to form a ring structure include, for example, a cyclohexenyl group, a phenethyl group, and a chemical formula (11-1). Benzyl group represented, tolylmethyl group (methylbenzyl group) represented by chemical formula (11-2), other groups represented by chemical formula (11-3) to chemical formula (11-7), and the like. . Note that some or all of the hydrogen atoms contained in these groups may be substituted with halogen atoms.
化学式(2)中のXは、中でも、−C(R15)(R16)−あるいは−N(R17)−で表される基であるのが好ましい。分子全体として平面性が低くなるため、会合体の形成が抑制され、変換効率の向上に寄与しやすくなるからである。この場合には、特に、R15〜R17は、分子全体の立体的サイズが大きくなるように、上記のような立体的に嵩高い基であるのが好ましい。平面性がより低くなるため、より高い効果が得られるからである。特に、Xは−C(R15)(R16)−で表される基であることが好ましい。これにより、R15,R16がメチン鎖骨格および複素環骨格を含む平面に対して上面側および下面側の双方の空間に張り出すように配置されることになるため、分子全体としての平面性が低くなり、分子同士が会合しにくくなることによって変換効率の向上により寄与する。この場合のR15,R16のうちの少なくとも一方は、立体的に嵩高いことから、中でも、炭素原子数6以上25以下のアルキル基あるいは化学式(11)に示した基であることが好ましい。分子全体としての平面性がさらに低くなり、高い会合抑制作用が得られるからである。この場合の化学式(11)に示した基は、ベンジル基が好ましい。さらに、この場合のR15,R16は、双方が嵩高い基であることが好ましい。より高い会合抑制効果が得られるからである。 X in the chemical formula (2) is preferably a group represented by -C (R15) (R16)-or -N (R17)-. This is because the planarity of the molecule as a whole is lowered, so that the formation of aggregates is suppressed and the conversion efficiency is easily improved. In this case, in particular, R15 to R17 are preferably such a sterically bulky group as described above so that the steric size of the entire molecule is increased. This is because the flatness becomes lower and higher effects can be obtained. In particular, X is preferably a group represented by -C (R15) (R16)-. As a result, R15 and R16 are arranged so as to protrude into both the upper surface side and the lower surface side with respect to the plane including the methine chain skeleton and the heterocyclic skeleton, so that the planarity of the entire molecule is low. Thus, the molecules are less likely to associate with each other, thereby contributing to an improvement in conversion efficiency. In this case, at least one of R15 and R16 is sterically bulky, and among them, an alkyl group having 6 to 25 carbon atoms or a group represented by the chemical formula (11) is preferable. This is because the planarity of the whole molecule is further lowered, and a high association inhibitory action can be obtained. In this case, the group represented by the chemical formula (11) is preferably a benzyl group. Further, R15 and R16 in this case are preferably both bulky groups. This is because a higher association inhibitory effect can be obtained.
次に、化学式(3)〜化学式(6)に示した基について説明する。化学式(3)〜化学式(6)中のR18〜R23,R25〜R30,R32〜R35およびR37〜R40の具体例としては、例えば、上記した化学式(2)のR10〜R13と同様のものが挙げられる。また、化学式(3)〜化学式(6)中の−R24−Y2で表される基,−R31−Y3で表される基,−R36−Y4で表される基および−R41−Y5で表される基も、化学式(2)中の−R14−Y1と同様にアンカー基であり、それらの具体例や好ましい構造等も化学式(2)中の−R14−Y1と同様である。化学式(3)〜化学式(6)では、キノリン骨格あるいはピリジン骨格に電子供与性の置換基が導入されていることが好ましい。すなわち、R18〜R23のうちの少なくとも1つ、R25〜R30のうちの少なくとも1つ、R32〜R35のうちの少なくとも1つ、およびR37〜R40のうちの少なくとも1つが電子供与性基である、あるいは電子供与性基を含むことが好ましい。アンカー基中のY2〜Y5は電子吸引性であるため、キノリン骨格あるいはピリジン骨格に電子供与性の置換基が導入されていると、担持体への電子注入効率が向上しやすいからである。 Next, the groups represented by chemical formulas (3) to (6) will be described. Specific examples of R18 to R23, R25 to R30, R32 to R35, and R37 to R40 in the chemical formulas (3) to (6) include, for example, the same as R10 to R13 in the above chemical formula (2). It is done. In addition, in the chemical formulas (3) to (6), a group represented by -R24-Y2, a group represented by -R31-Y3, a group represented by -R36-Y4, and a group represented by -R41-Y5. These groups are also anchor groups in the same manner as -R14-Y1 in chemical formula (2), and specific examples and preferred structures thereof are the same as those in -R14-Y1 in chemical formula (2). In the chemical formulas (3) to (6), it is preferable that an electron-donating substituent is introduced into the quinoline skeleton or the pyridine skeleton. That is, at least one of R18 to R23, at least one of R25 to R30, at least one of R32 to R35, and at least one of R37 to R40 is an electron donating group, or It preferably contains an electron donating group. This is because, since Y2 to Y5 in the anchor group are electron withdrawing, if an electron donating substituent is introduced into the quinoline skeleton or pyridine skeleton, the efficiency of electron injection into the carrier is easily improved.
以上説明したR1は、特に、化学式(2)に示した基の中でも化学式(2−1)で表される基であることが好ましい。化学式(2−1)中のR15,R16のうちの少なくとも一方がベンジル基あるいはアルキル基であるため、高い会合抑制作用が得られるからである。その上、環Aとしてベンゼン環等を有するため、環Aを持たない化学式(2)に示した基である場合と比較して、シアニン化合物の分子全体としてのπ共役が広がりやすいからである。 R1 described above is particularly preferably a group represented by the chemical formula (2-1) among the groups represented by the chemical formula (2). This is because since at least one of R15 and R16 in the chemical formula (2-1) is a benzyl group or an alkyl group, a high association inhibitory action can be obtained. In addition, since the ring A has a benzene ring or the like, the π conjugation as a whole molecule of the cyanine compound is likely to spread as compared with the case of the group represented by the chemical formula (2) not having the ring A.
化学式(2−1)中で説明した−R14−Y1で表される基は、化学式(2)中の−R14−Y1と同様にアンカー基であり、それらの具体例や好ましい構造等も化学式(2)中の−R14−Y1と同様である。R15,R16の、アルキル基およびベンジル基である場合を除く具体例としては、上記した化学式(2)中のR15,R16と同様のものが挙げられる。中でも、R15,R16のうちの少なくとも一方がアルキル基である場合の炭素原子数は5以上であることが好ましい。より高い会合抑制作用が得られるからである。環Aは、ベンゼン環、ナフタレン環あるいはフェナンスレン環の骨格を有していれば任意であり、1あるいは2以上の置換基を有していてもよい。環Aがナフタレン環あるいはフェナンスレン環である場合には、その環が5員複素環と縮合する位置も任意である。環Aに導入される置換基は任意であり、例えば、メチル基、エチル基あるいはブチル基などのアルキル基、メトキシ基あるいはエトキシ基などのアルコキシ基、フェニル基などのアリール基、ベンジル基などのフェニルアルキル基またはそれらの誘導体などが挙げられる。中でも、環Aは、ベンゼン環、ナフタレン環あるいはフェナンスレン環に電子供与性の置換基が導入されたものであることが好ましい。アンカー基中のY1は電子吸引性であるため、環A中に電子供与性の置換基を有していると、担持体への電子注入効率が向上しやすいからである。 The group represented by -R14-Y1 described in chemical formula (2-1) is an anchor group like -R14-Y1 in chemical formula (2), and specific examples and preferred structures thereof are also represented by chemical formula ( It is the same as -R14-Y1 in 2). Specific examples of R15 and R16 excluding the case where they are an alkyl group and a benzyl group include the same as R15 and R16 in the above chemical formula (2). Among these, when at least one of R15 and R16 is an alkyl group, the number of carbon atoms is preferably 5 or more. This is because a higher association inhibitory action can be obtained. Ring A is optional as long as it has a benzene ring, naphthalene ring or phenanthrene ring skeleton, and may have one or more substituents. When ring A is a naphthalene ring or a phenanthrene ring, the position at which the ring is condensed with a 5-membered heterocyclic ring is also arbitrary. The substituent introduced into ring A is arbitrary, for example, an alkyl group such as a methyl group, an ethyl group or a butyl group, an alkoxy group such as a methoxy group or an ethoxy group, an aryl group such as a phenyl group, or a phenyl group such as a benzyl group Examples thereof include alkyl groups or derivatives thereof. Among them, the ring A is preferably a ring in which an electron-donating substituent is introduced into a benzene ring, a naphthalene ring, or a phenanthrene ring. This is because Y1 in the anchor group is electron-withdrawing, and therefore, if the ring A has an electron-donating substituent, the efficiency of electron injection into the carrier is easily improved.
次に、化学式(1)中のR2について説明する。R2は、化学式(7)に示したキノリン骨格の2位の位置でQの末端と二重結合する基、化学式(8)に示したキノリン骨格の4位の位置でQの末端と二重結合する基、化学式(9)に示したピリジン骨格の2位の位置でQの末端と二重結合する基、あるいは化学式(10)に示したピリジン骨格の4位の位置でQの末端と二重結合する基のいずれかである。 Next, R2 in the chemical formula (1) will be described. R2 is a group that double-bonds to the Q terminal at the 2-position of the quinoline skeleton shown in chemical formula (7), and double-bonds to the Q terminal at the 4-position of the quinoline skeleton shown in chemical formula (8). A group that double bonds with the terminal of Q at the 2-position of the pyridine skeleton shown in chemical formula (9), or a group that double-bonds with the terminal of Q at the 4-position of the pyridine skeleton shown in chemical formula (10). Any of the groups to which it is attached.
化学式(7)〜化学式(10)中のR42〜R65の具体例としては、例えば、上記した化学式(2)中のR10〜R13の具体例と同様のものや、その他にカルボン酸基あるいはスルホン酸基などの酸性基を有するアンカー基などが挙げられる。中でも、R42〜R65は、電子供与性の置換基であることが好ましい。発色団であるメチン鎖骨格(Q)に対して、アンカー基を有するR1が電子を吸引するため、R2が電子を供与するように機能すると、シアニン化合物内での電子の授受が良好となり、その結果、担持体への電子注入効率が高まるからである。中でも、キノリン骨格あるいはピリジン骨格中の窒素原子に導入されている基が電子供与性のアルキル基であること、すなわち、R48,R53,R60,R63がアルキル基であることが好ましい。シアニン化合物内での電子の授受がより良好となり、担持体への電子注入効率が高まるからである。 Specific examples of R42 to R65 in the chemical formula (7) to chemical formula (10) are, for example, the same as the specific examples of R10 to R13 in the chemical formula (2) described above, in addition to carboxylic acid groups or sulfonic acids. Examples thereof include an anchor group having an acidic group such as a group. Among these, R42 to R65 are preferably electron donating substituents. Since R1 having an anchor group attracts electrons to the chromophore methine chain skeleton (Q), if R2 functions so as to donate electrons, electron transfer in the cyanine compound is improved. As a result, the efficiency of electron injection into the carrier increases. Among them, it is preferable that the group introduced into the nitrogen atom in the quinoline skeleton or the pyridine skeleton is an electron donating alkyl group, that is, R48, R53, R60, and R63 are alkyl groups. This is because the transfer of electrons in the cyanine compound becomes better, and the efficiency of electron injection into the support increases.
次に、化学式(1)中のQについて説明する。Qは、炭素原子数1以上7以下のメチン鎖(モノメチン〜へプタメチン)を骨格とする連結基であり、そのうちのメチン鎖の炭素原子数が奇数のものである。すなわち、Qは、その炭素骨格として、−C=、−C=C−C=、−C=C−C=C−C=、あるいは−C=C−C=C−C=C−C=を有するものである。ちなみに、化学式(1)に示したシアニン化合物がその共鳴構造体である場合には、例えばQの炭素骨格は、=C−、=C−C=C−、=C−C=C−C=C−、あるいは=C−C=C−C=C−C=C−となる。メチン鎖の炭素原子数が1以上7以下であるのは、上記したように紫外光から近赤外光までの広い範囲における光の吸収が良好となるからである。Qとしては、例えば、−CH=、−CH=CH−CH=、−CH=CH−CH=CH−CH=、あるいは−CH=CH−CH=CH−CH=CH−CH=が挙げられる。また、Qは、さらに1種あるいは2種以上の置換基を有していてもよいし、その置換基が互いに結合して環構造を形成していてもよい。Qに導入される置換基としては、例えば、シアノ基、ニトロ基、ハロゲン基、アルキル基あるいはアルケニル基などが挙げられる。Qのうち、環構造をもつ連結基としては、例えば、化学式(12−1)〜化学式(12−8)で表される連結基などが挙げられる。なお、化学式(12−1)〜化学式(12−8)に示した連結基は、さらに1あるいは複数の置換基が導入されていてもよい。また、Qにおいて置換基が導入される場合には、メチン鎖骨格の中心となる炭素原子に置換基が導入されていることが好ましい。分子全体としての電荷の偏りのバランスが良好となり、担持体に対する電子注入効率が高まりやすいからである。 Next, Q in the chemical formula (1) will be described. Q is a linking group having a skeleton of a methine chain (monomethine to heptamethine) having 1 to 7 carbon atoms, of which the methine chain has an odd number of carbon atoms. That is, Q has -C =, -C = C-C =, -C = C-C = C-C =, or -C = C-C = C-C = C-C = as its carbon skeleton. It is what has. Incidentally, when the cyanine compound represented by the chemical formula (1) is its resonance structure, for example, the carbon skeleton of Q is = C-, = C-C = C-, = C-C = C-C = C-, or = C-C = C-C = C-C = C-. The reason why the number of carbon atoms in the methine chain is 1 or more and 7 or less is that light absorption in a wide range from ultraviolet light to near infrared light becomes good as described above. Examples of Q include -CH =, -CH = CH-CH =, -CH = CH-CH = CH-CH =, or -CH = CH-CH = CH-CH = CH-CH =. Q may further have one or more substituents, and the substituents may be bonded to each other to form a ring structure. Examples of the substituent introduced into Q include a cyano group, a nitro group, a halogen group, an alkyl group, and an alkenyl group. In Q, examples of the linking group having a ring structure include linking groups represented by chemical formulas (12-1) to (12-8). Note that one or a plurality of substituents may be further introduced into the linking group represented by the chemical formula (12-1) to the chemical formula (12-8). In addition, when a substituent is introduced in Q, it is preferable that the substituent is introduced into the carbon atom that is the center of the methine chain skeleton. This is because the balance of charge bias as a whole molecule is good, and the electron injection efficiency to the carrier is likely to increase.
化学式(1)中のQは、中でも、メチン鎖骨格を構成する炭素原子に対して1あるいは2以上のシアノ基が導入されていることが好ましい。R1中のアンカー基が担持体に吸着した状態では、Qがシアノ基を有していると、そのシアノ基と担持体との物理的な距離が近くなる。これにより、メチン鎖に導入されたシアノ基の非共有電子対と担持体との間で相互作用して、シアニン化合物から担持体への電子注入時の抵抗が減少する。これによって、光電変換素子に用いた場合に、IV特性(電流電圧特性)の形状因子(FF;Fill Factor)が向上し、変換効率の向上に寄与すると考えられる。また、この他にも、Qがシアノ基を有していると、担持体に対する定着性が高くなるため、変換効率の向上に寄与する。Qがシアノ基を有する場合には、メチン鎖骨格の中心となる炭素原子に導入されていることが好ましい。また、その場合のメチン鎖骨格の炭素原子数は、合成しやすいことから5(ペンタメチン)であることが好ましい。 In particular, Q in the chemical formula (1) preferably has one or more cyano groups introduced to the carbon atoms constituting the methine chain skeleton. In a state where the anchor group in R1 is adsorbed on the carrier, if Q has a cyano group, the physical distance between the cyano group and the carrier is reduced. Thereby, the interaction between the unshared electron pair of the cyano group introduced into the methine chain and the carrier reduces the resistance at the time of electron injection from the cyanine compound to the carrier. Thus, when used in a photoelectric conversion element, the form factor (FF; Fill Factor) of IV characteristics (current-voltage characteristics) is improved, and it is considered that this contributes to improvement in conversion efficiency. In addition to this, when Q has a cyano group, the fixing property to the support becomes high, which contributes to the improvement of the conversion efficiency. When Q has a cyano group, it is preferably introduced into the carbon atom that is the center of the methine chain skeleton. In this case, the number of carbon atoms in the methine chain skeleton is preferably 5 (pentamethine) because it is easy to synthesize.
化学式(1)中のZp-について説明する。Zp-は、化学式(1)に示したシアニン化合物全体の電荷を中性に保つためのカウンターアニオンであり、1価あるいは2価のアニオンであれば任意である。p=1の場合のアニオン(1価のアニオン;Z- )としては、例えば、フッ化物イオン(F- )、塩化物イオン(Cl- )、臭化物イオン(Br- )あるいはヨウ化物イオン(I- )などのハロゲン化物イオンや、ヘキサフルオロリン酸イオン(PF6 -)、ヘキサフルオロアンチモン酸イオン(SbF6 -)、過塩素酸イオン(ClO4 -)、テトラフルオロホウ酸イオン(BF4 -)、塩素酸イオンあるいはチオシアン酸イオンなどの無機系陰イオンや、ベンゼンスルホン酸イオン、トルエンスルホン酸イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、ジフェニルアミン−4−スルホン酸イオン、2−アミノ−4−メチル−5−クロロベンゼンスルホン酸イオン、2−アミノ−5−ニトロベンゼンスルホン酸イオン、N−アルキルジフェニルアミン−4−スルホン酸イオンあるいはN−アリールジフェニルアミン−4−スルホン酸イオンなどの有機スルホン酸系陰イオンや、オクチルリン酸イオン、ドデシルリン酸イオン、オクタデシルリン酸イオン、フェニルリン酸イオン、ノニルフェニルリン酸イオンあるいは2,2’−メチレンビス(4,6−ジ−t−ブチルフェニル)ホスホン酸イオンなどの有機リン酸系陰イオンや、その他にビストリフルオロメチルスルホニルイミドイオン、ビスパーフルオロブタンスルホニルイミドイオン、パーフルオロ−4−エチルシクロヘキサンスルホン酸イオン、テトラキス(ペンタフルオロフェニル)ホウ酸イオンあるいはトリス(フルオロアルキルスルホニル)カルボアニオンなどが挙げられる。また、p=2の場合のアニオン(2価のアニオン;Z2-)としては、例えば、硫酸イオン(SO4 2- )、ベンゼンジスルホン酸イオンあるいはナフタレンジスルホン酸イオンなどが挙げられる。また、化学式(1)中で説明したqは、化学式(1)に示したシアニン化合物全体として電荷を中性に保つ係数であり、0であってもよい。q=0の場合には、例えば、R1中のY1(あるいはY2〜Y5)がカルボン酸イオン基であることとなり、分子内で塩を形成していわゆる内部塩となる。また、q=1の場合には、Zp-が1価のアニオンであるZ- となり、化合物全体の電荷を中性に保つように塩を形成する。また、Zp-が2価のアニオンであるZ2-の場合には、q=1/2となる。すなわち、ここでのqは0、1あるいは1/2である。 Z p- in the chemical formula (1) will be described. Z p− is a counter anion for keeping the entire charge of the cyanine compound represented by the chemical formula (1) neutral, and is arbitrary as long as it is a monovalent or divalent anion. As an anion (monovalent anion; Z − ) when p = 1, for example, fluoride ion (F − ), chloride ion (Cl − ), bromide ion (Br − ) or iodide ion (I − ) Halide ions such as hexafluorophosphate ion (PF 6 − ), hexafluoroantimonate ion (SbF 6 − ), perchlorate ion (ClO 4 − ), tetrafluoroborate ion (BF 4 − ). Inorganic anions such as chlorate ion or thiocyanate ion, benzenesulfonate ion, toluenesulfonate ion, trifluoromethanesulfonate ion, diphenylamine-4-sulfonate ion, 2-amino-4-methyl-5- Chlorobenzenesulfonate ion, 2-amino-5-nitrobenzenesulfonate ion, N-alkyldiphenyl Organic sulfonate anions such as amine-4-sulfonate ion or N-aryldiphenylamine-4-sulfonate ion, octyl phosphate ion, dodecyl phosphate ion, octadecyl phosphate ion, phenyl phosphate ion, nonyl phenyl phosphorus Organic phosphate anions such as acid ions or 2,2'-methylenebis (4,6-di-t-butylphenyl) phosphonate ions, bistrifluoromethylsulfonylimide ions, bisperfluorobutanesulfonylimide ions Perfluoro-4-ethylcyclohexanesulfonate ion, tetrakis (pentafluorophenyl) borate ion or tris (fluoroalkylsulfonyl) carboanion. Examples of the anion (divalent anion; Z 2− ) in the case of p = 2 include sulfate ion (SO 4 2− ), benzenedisulfonate ion, naphthalenedisulfonate ion, and the like. Moreover, q demonstrated in Chemical formula (1) is a coefficient which keeps an electric charge neutral as the whole cyanine compound shown in Chemical formula (1), and may be 0. When q = 0, for example, Y1 (or Y2 to Y5) in R1 is a carboxylate ion group, and a salt is formed in the molecule to form a so-called internal salt. When q = 1, Z p− becomes a monovalent anion Z − , and a salt is formed so as to keep the charge of the whole compound neutral. In addition, when Z p− is Z 2− which is a divalent anion, q = ½. That is, q here is 0, 1 or 1/2.
上記した化学式(1)に示したシアニン化合物としては、化学式(1−1)〜化学式(1−303)で表される構造部を有する化合物などが挙げられる。なお、以下の化学式中において、Meはメチル基を表し、Etはエチル基を表している。また、以下の化学式(1−1)〜化学式(1−303)に示した構造部は、化学式(1)中のZp-を含まない部分(カチオン部分)を表しており、これらの構造では、例えば、上記した1価あるいは2価のアニオンであれば、任意に組み合わせることが可能であり、その他のアニオンであっても同様である。さらに、これらの構造部では、例えば、カルボン酸基などの酸性基がイオン化して内部塩を形成することもできる。 Examples of the cyanine compound represented by the above chemical formula (1) include compounds having a structural part represented by chemical formula (1-1) to chemical formula (1-303). In the chemical formulas below, Me represents a methyl group, and Et represents an ethyl group. Also, structure shown in the following chemical formula (1-1) to formula (1-303) represents the chemical formula (1) portion which does not include the Z p-in (cationic moiety), these structures For example, the above-described monovalent or divalent anions can be arbitrarily combined, and the same applies to other anions. Furthermore, in these structural parts, for example, acidic groups such as carboxylic acid groups can be ionized to form internal salts.
なお、化学式(1)に示したシアニン構造を有する化合物であれば、化学式(1−1)〜化学式(1−303)に示した構造部を含む化合物に限定されない。 In addition, as long as it is a compound which has the cyanine structure shown to Chemical formula (1), it is not limited to the compound containing the structure part shown to Chemical formula (1-1)-Chemical formula (1-303).
以上に説明した化学式(1)に示したシアニン化合物では、R1は化学式(2)〜化学式(4)のうちのいずれか1つに示した基であることが好ましい。R2が化学式(9)あるいは化学式(10)に示した基である場合に、R1が化学式(2)〜化学式(4)のうちのいずれか1つに示した基である化合物では、R1が化学式(5)あるいは化学式(6)に示した基である化合物よりも、光吸収波長域が広くなるからである。また、化学式(1)に示したシアニン化合物では、Qが炭素原子数3のメチン鎖を骨格とする連結基の場合、R2は化学式(7)または化学式(8)に示した基であることが好ましい。この場合のR2が化学式(9)または化学式(10)に示した基であるシアニン化合物よりも、変換効率の向上に寄与するからである。 In the cyanine compound represented by the chemical formula (1) described above, R1 is preferably a group represented by any one of the chemical formula (2) to the chemical formula (4). In the case where R2 is a group represented by the chemical formula (9) or the chemical formula (10), R1 is a group represented by any one of the chemical formula (2) to the chemical formula (4). This is because the light absorption wavelength region is wider than the compound which is the group represented by (5) or chemical formula (6). In the cyanine compound represented by the chemical formula (1), when Q is a linking group having a methine chain having 3 carbon atoms as a skeleton, R2 may be a group represented by the chemical formula (7) or the chemical formula (8). preferable. This is because R2 in this case contributes to the improvement of the conversion efficiency as compared with the cyanine compound which is the group represented by the chemical formula (9) or the chemical formula (10).
次に、化学式(1)に示したシアニン化合物の合成方法について、化学反応式(I)〜化学反応式(III)を参照して説明する。上記した化学式(1)に示したシアニン化合物は、例えば、以下の3つの方法により合成することができる。 Next, a method for synthesizing the cyanine compound represented by the chemical formula (1) will be described with reference to the chemical reaction formulas (I) to (III). The cyanine compound represented by the above chemical formula (1) can be synthesized, for example, by the following three methods.
第1の合成方法では、化学式(1)中のQに含まれるメチン鎖骨格の炭素原子数が1の化合物を合成する。具体的には、化学反応式(I)に示したように、脱離基R100を有する化学式(13)で表される化合物と、のちにモノメチンの炭素骨格を構成する炭素原子(R70が結合した炭素原子)を有する化学式(14)で表される化合物とを、必要に応じてカウンターアニオンとなる所定量のZp-を加え、塩基(Base)存在下で反応させる。これにより、化学式(1)中のQに含まれるメチン鎖骨格の炭素原子数が1のシアニン化合物(化学式(1A))が合成される。 In the first synthesis method, a compound having 1 carbon atom in the methine chain skeleton contained in Q in the chemical formula (1) is synthesized. Specifically, as shown in the chemical reaction formula (I), a compound represented by the chemical formula (13) having a leaving group R100 and a carbon atom (R70) constituting the carbon skeleton of monomethine was bonded later. The compound represented by the chemical formula (14) having a carbon atom) is reacted in the presence of a base (Base) by adding a predetermined amount of Z p- as a counter anion as necessary. As a result, a cyanine compound (chemical formula (1A)) having 1 carbon atom in the methine chain skeleton contained in Q in chemical formula (1) is synthesized.
第2の合成方法では、化学式(1)中のQに含まれるメチン鎖骨格の炭素原子数が3以上であり、かつR1およびR2の構造が非対称である化合物を合成する。具体的には、化学反応式(II)に示したように、脱離基(−NH−C6 H5 )を有する化学式(15)で表される化合物と、のちにメチン鎖の炭素骨格を構成する炭素原子のうち末端の炭素原子(R72が結合した炭素原子)を有する化学式(16)で表される化合物とを、必要に応じてカウンターアニオンとなる所定量のZp-を加え、塩基(Base)の存在下で反応させる。これにより化学式(1)に示したシアニン化合物のうち、Qに含まれるメチン鎖骨格の炭素原子数が3以上でありかつR1およびR2が非対称の構造であるシアニン化合物(化学式(1B))が合成される。なお、R1およびR2が非対称であるシアニン化合物は、R1とR2とが以下の組み合わせである場合を除く、構造を有する化合物のことである。その除かれる組み合わせは、R1が化学式(3)に示した基であると共にR2が化学式(7)に示した基である場合、R1が化学式(4)に示した基であると共にR2が化学式(8)に示した基である場合、R1が化学式(5)に示した基であると共にR2が化学式(9)に示した基である場合、およびR1が化学式(6)に示した基であると共にR2が化学式(10)に示した基である場合である。 In the second synthesis method, a compound in which the number of carbon atoms in the methine chain skeleton contained in Q in the chemical formula (1) is 3 or more and the structures of R1 and R2 are asymmetric is synthesized. Specifically, as shown in the chemical reaction formula (II), a compound represented by the chemical formula (15) having a leaving group (—NH—C 6 H 5 ) and a carbon skeleton of the methine chain are later formed. a compound represented by formula (16) having a terminal carbon atom (the carbon atom to which R72 is bonded) of the carbon atoms constituting, Z p-added predetermined quantity of a counter anion if necessary, a base The reaction is carried out in the presence of (Base). As a result, among the cyanine compounds represented by chemical formula (1), a cyanine compound (chemical formula (1B)) in which the number of carbon atoms in the methine chain skeleton contained in Q is 3 or more and R1 and R2 are asymmetric structures is synthesized. Is done. In addition, the cyanine compound in which R1 and R2 are asymmetric is a compound having a structure except when R1 and R2 are the following combinations. In the combinations to be removed, when R1 is the group represented by the chemical formula (3) and R2 is the group represented by the chemical formula (7), R1 is the group represented by the chemical formula (4) and R2 is represented by the chemical formula ( In the case of the group shown in 8), R1 is the group shown in chemical formula (5) and R2 is the group shown in chemical formula (9), and R1 is the group shown in chemical formula (6). And R2 is a group represented by the chemical formula (10).
第3の合成方法では、化学式(1)中のQに含まれるメチン鎖骨格の炭素原子数が3以上であり、かつR1およびR2の構造が対称である化合物を合成する。具体的には、化学反応式(III)に示したように、のちにメチン鎖の炭素骨格を構成する炭素原子のうち末端の炭素原子(R73が結合した炭素原子)を有する化学式(17)で表される化合物と、ブリッジ剤としての化学式(18)で表される化合物とを、必要に応じてカウンターアニオンとなる所定量のZp-を加え、塩基(Base)存在下で反応させる。これにより化学式(1)に示したシアニン化合物のうち、Qに含まれるメチン鎖骨格の炭素原子数が3以上でありかつR1およびR2が対称の構造であるシアニン化合物(化学式(1C))が合成される。化学反応式(III)において、ブリッジ剤として用いた化学式(18)に示した化合物としては、例えば、化学式(18−1)〜化学式(18−4)で表される化合物が挙げられ、その他のブリッジ剤としては、例えば化学式(18−5)〜化学式(18−7)で表される化合物が挙げられる。 In the third synthesis method, a compound in which the number of carbon atoms in the methine chain skeleton contained in Q in chemical formula (1) is 3 or more and the structures of R1 and R2 are symmetric is synthesized. Specifically, as shown in the chemical reaction formula (III), the chemical formula (17) having a terminal carbon atom (carbon atom to which R73 is bonded) among the carbon atoms constituting the carbon skeleton of the methine chain later. The compound represented by the chemical formula (18) as the bridging agent is reacted in the presence of a base (Base) by adding a predetermined amount of Z p- as a counter anion as necessary. As a result, among the cyanine compounds represented by chemical formula (1), a cyanine compound (chemical formula (1C)) in which the number of carbon atoms in the methine chain skeleton contained in Q is 3 or more and R1 and R2 are symmetrical is synthesized. Is done. In the chemical reaction formula (III), examples of the compound represented by the chemical formula (18) used as the bridging agent include compounds represented by the chemical formula (18-1) to the chemical formula (18-4). Examples of the bridging agent include compounds represented by chemical formula (18-5) to chemical formula (18-7).
本実施の形態に係る光電変換素子用色素では、化学式(1)に示したシアニン構造を有するので、その構造をもたない色素(例えば、メチン鎖の両端に5員複素環骨格が結合したシアニン化合物)と比較して、紫外光域から近赤外光域のうちの広い波長域の光を吸収して励起され、その上、担持体に担持された状態において、その担持体に対して効率よく電子を注入することができる。よって、光電変換素子に用いれば、照射された光量に対して色素から担持体への電子注入量が高くなり、IPCE(Incident Photons to Current conversion Efficiency)が向上し、変換効率を向上させることができる。なお、IPCEとは、光電変換素子において照射した光の光子数に対する光電流の電子数への変換された割合を表すものであり、IPCE(%)=Isc×1240/λ×1/φ(式中、Iscは短絡電流であり、λは波長であり、φは入射光強度である。)により求められる。 The photoelectric conversion element dye according to the present embodiment has a cyanine structure represented by the chemical formula (1), and therefore has no dye (for example, a cyanine having a 5-membered heterocyclic skeleton bonded to both ends of the methine chain). Compared with the compound), it absorbs light in a wide wavelength region from the ultraviolet light region to the near infrared light region and is excited, and in addition, it is more efficient for the carrier when it is supported on the carrier. Electrons can be injected well. Therefore, when used for a photoelectric conversion element, the amount of electrons injected from the dye to the carrier increases with respect to the amount of light irradiated, IPCE (Incident Photons to Current conversion Efficiency) is improved, and conversion efficiency can be improved. . Note that IPCE represents the ratio of photocurrent converted to the number of electrons with respect to the number of photons irradiated in the photoelectric conversion element, and IPCE (%) = Isc × 1240 / λ × 1 / φ (formula Where Isc is a short circuit current, λ is a wavelength, and φ is an incident light intensity.
この場合には、化学式(1)中のR1が化学式(2−1)で表される基であることが好ましい。これにより、化学式(2−1)中のR15およびR16の少なくとも一方として導入されるベンジル基あるいはアルキル基が、メチン鎖骨格および複素環骨格を含む平面に対して上面側および下面側の双方の空間に張り出すように配置されるため、分子全体として平面性が低くなり、会合しにくくなる。よって、光電変換素子に用いた場合に、より変換効率を向上させることができる。 In this case, R1 in the chemical formula (1) is preferably a group represented by the chemical formula (2-1). Thereby, the benzyl group or the alkyl group introduced as at least one of R15 and R16 in the chemical formula (2-1) is a space on both the upper surface side and the lower surface side with respect to the plane including the methine chain skeleton and the heterocyclic skeleton. Therefore, the entire molecule has low planarity and is difficult to associate. Therefore, when it uses for a photoelectric conversion element, conversion efficiency can be improved more.
また、化学式(1)中のQは炭素原子数3のメチン鎖を骨格とする連結基であると共にR2は化学式(7)または化学式(8)に示した基であることが好ましい。光吸収波長域がより広くなると共に担持体への電子注入効率がより高くなるため、光電変換素子に用いた場合に、より変換効率を向上させることができる。 Further, Q in the chemical formula (1) is preferably a linking group having a methine chain having 3 carbon atoms as a skeleton, and R2 is preferably a group represented by the chemical formula (7) or the chemical formula (8). Since the light absorption wavelength range becomes wider and the electron injection efficiency into the carrier becomes higher, the conversion efficiency can be further improved when used in a photoelectric conversion element.
次に、本実施の形態に係る光電変換素子用色素の使用例について説明する。 Next, the usage example of the pigment | dye for photoelectric conversion elements which concerns on this Embodiment is demonstrated.
図1は、光電変換素子の断面構成を模式的に表すものであり、図2は、図1に示した光電変換素子の主要部を抜粋および拡大して表すものである。図1および図2に示した光電変換素子は、いわゆる色素増感型太陽電池の主要部である。この光電変換素子は、作用電極10と対向電極20とが電解質含有層30を介して対向配置されたものであり、作用電極10および対向電極20のうちの少なくとも一方は、光透過性を有する電極である。
FIG. 1 schematically shows a cross-sectional configuration of a photoelectric conversion element, and FIG. 2 shows an extracted and enlarged main part of the photoelectric conversion element shown in FIG. The photoelectric conversion element shown in FIGS. 1 and 2 is a main part of a so-called dye-sensitized solar cell. In this photoelectric conversion element, the working
作用電極10は、例えば、導電性基板11と、その一方の面(対向電極20の側の面)に設けられた金属酸化物半導体層12と、金属酸化物半導体層12を担持体として担持された色素13とを有している。作用電極10は、外部回路に対して、負極として機能するものである。導電性基板11は、例えば、絶縁性の基板11Aの表面に導電層11Bを設けたものである。
The working
基板11Aの材料としては、例えば、ガラス、プラスチック、透明ポリマーフィルムなどの絶縁性材料が挙げられる。透明ポリマーフィルムとしては、例えば、テトラアセチルセルロース(TAC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、シンジオタクチックポリスチレン(SPS)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリカーボネート(PC)、ポリアリレート(PAR)、ポリスルフォン(PSF)、ポリエステルスルフォン(PES)、ポリエーテルイミド(PEI)、環状ポリオレフィンあるいはブロム化フェノキシなどが挙げられる。 Examples of the material of the substrate 11A include insulating materials such as glass, plastic, and transparent polymer film. Examples of the transparent polymer film include tetraacetyl cellulose (TAC), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), syndiotactic polystyrene (SPS), polyphenylene sulfide (PPS), polycarbonate (PC), polyarylate ( PAR), polysulfone (PSF), polyester sulfone (PES), polyetherimide (PEI), cyclic polyolefin or brominated phenoxy.
導電層11Bとしては、例えば、酸化インジウム、酸化スズ、インジウム−スズ複合酸化物(ITO)あるいは酸化スズにフッ素をドープしたもの(FTO:F−SnO2 )などを含む導電性金属酸化物薄膜や、金(Au)、銀(Ag)あるいは白金(Pt)などを含む金属薄膜や、導電性高分子などで形成されたものなどが挙げられる。
As the
なお、導電性基板11は、例えば、導電性を有する材料によって単層構造となるように構成されていてもよく、その場合、導電性基板11の材料としては、例えば、酸化インジウム、酸化スズ、インジウム−スズ複合酸化物あるいは酸化スズにフッ素をドープしたものなどの導電性金属酸化物や、金、銀あるいは白金などの金属や、導電性高分子などが挙げられる。 In addition, the conductive substrate 11 may be configured to have a single-layer structure with, for example, a conductive material. In that case, examples of the material of the conductive substrate 11 include indium oxide, tin oxide, Examples thereof include conductive metal oxides such as indium-tin composite oxide or tin oxide doped with fluorine, metals such as gold, silver or platinum, and conductive polymers.
金属酸化物半導体層12は、色素13を担持する担持体であり、例えば、図2に示したように多孔質構造を有している。金属酸化物半導体層12は、緻密層12Aと多孔質層12Bとから形成されている。緻密層12Aは、導電性基板11との界面において形成され、緻密で空隙の少ないものであることが好ましく、膜状であることがより好ましい。多孔質層12Bは、電解質含有層30と接する表面において形成され、空隙が多く、表面積の大きな構造であることが好ましく、特に、多孔質の微粒子が付着している構造であることがより好ましい。なお、金属酸化物半導体層12は、例えば、膜状の単層構造となるように形成されていてもよい。
The metal
金属酸化物半導体層12に含まれる材料(金属酸化物半導体材料)としては、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ニオブ、酸化インジウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化バナジウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウムあるいは酸化マグネシウムなどが挙げられる。中でも、金属酸化物半導体材料としては、酸化亜鉛が好ましい。高い変換効率が得られるからである。また、これらの金属酸化物半導体材料は、いずれか1種を単独で用いてもよいが、2種以上を複合(混合、混晶、固溶体など)させて用いてもよく、例えば、酸化亜鉛と酸化スズ、酸化チタンと酸化ニオブなどの組み合わせで使用することもできる。
Examples of the material (metal oxide semiconductor material) included in the metal
多孔質構造を有する金属酸化物半導体層12の形成方法としては、例えば、電解析出法や、塗布法や、焼成法などが挙げられる。電解析出法により金属酸化物半導体層12を形成する場合には、金属酸化物半導体材料の微粒子を含む電解浴液中において、導電性基板11の導電層11B上にその微粒子を付着させると共に金属酸化物半導体材料を析出させる。塗布法により金属酸化物半導体層12を形成する場合には、金属酸化物半導体材料の微粒子を分散させた分散液(金属酸化物スラリー)を導電性基板11の上に塗布したのち、分散液中の分散媒を除去するために乾燥させる。焼結法により金属酸化物半導体層12を形成する場合には、塗布法と同様にして金属酸化物スラリーを導電性基板11の上に塗布、乾燥したのち、焼成する。中でも、電解析出法あるいは塗布法により金属酸化物半導体層12を形成すれば、基板11Aとして耐熱性が低いプラスチック材料やポリマーフィルム材料を用いることができるため、フレキシブル性の高い電極を作製することができる。
Examples of a method for forming the metal
色素13は、金属酸化物半導体層12に対して、例えば吸着しており、光を吸収して励起されることにより、電子を金属酸化物半導体層12へ注入することが可能な1種あるいは2種以上の色素(増感色素)を含んでいる。色素13は、この色素として上記した化学式(1)に示したシアニン化合物を含んでいる。化学式(1)に示したシアニン化合物を含むことにより、色素13全体として、照射された光量に対する金属酸化物半導体層12への電子注入量の割合が高くなるため、変換効率が向上する。
The
また、色素13は、化学式(1)に示したシアニン化合物の他に、他の色素を含んでいてもよい。他の色素は、金属酸化物半導体層12と化学的に結合することができるアンカー基を有する色素が好ましい。他の色素としては、例えば、エオシンY、ジブロモフルオレセイン、フルオレセイン、ローダミンB、ピロガロール、ジクロロフルオレセイン、エリスロシンB(エリスロシンは登録商標)、フルオレシン、マーキュロクロム、シアニン系色素、メロシアニンジスアゾ系色素、トリスアゾ系色素、アントラキノン系色素、多環キノン系色素、インジゴ系色素、ジフェニルメタン系色素、トリメチルメタン系色素、キノリン系色素、ベンゾフェノン系色素、ナフトキノン系色素、ペリレン系色素、フルオレノン系色素、スクワリリウム系色素、アズレニウム系色素、ペリノン系色素、キナクリドン系色素、無金属フタロシアニン系色素または無金属ポルフィリン系色素などの有機色素などが挙げられる。
The
また、他の色素としては、例えば、有機金属錯体化合物も挙げられ、一例としては、芳香族複素環内にある窒素アニオンと金属カチオンとで形成されるイオン性の配位結合と、窒素原子またはカルコゲン原子と金属カチオンとの間に形成される非イオン性配位結合の両方を有する有機金属錯体化合物や、酸素アニオンもしくは硫黄アニオンと金属カチオンとで形成されるイオン性の配位結合と、窒素原子またはカルコゲン原子と金属カチオンとの間に形成される非イオン性配位結合の両方を有する有機金属錯体化合物などが挙げられる。具体的には、銅フタロシアニン、チタニルフタロシアニンなどの金属フタロシアニン系色素、金属ナフタロシアニン系色素、金属ポルフィリン系色素、ならびにビピリジルルテニウム錯体、ターピリジルルテニウム錯体、フェナントロリンルテニウム錯体、ビシンコニン酸ルテニウム錯体、アゾルテニウム錯体あるいはキノリノールルテニウム錯体などのルテニウム錯体などが挙げられる。 Examples of other dyes include organometallic complex compounds. For example, an ionic coordinate bond formed by a nitrogen anion and a metal cation in an aromatic heterocyclic ring, and a nitrogen atom or Organometallic complex compounds having both nonionic coordination bonds formed between chalcogen atoms and metal cations, ionic coordination bonds formed by oxygen anions or sulfur anions and metal cations, and nitrogen And organometallic complex compounds having both nonionic coordination bonds formed between an atom or chalcogen atom and a metal cation. Specifically, metal phthalocyanine dyes such as copper phthalocyanine and titanyl phthalocyanine, metal naphthalocyanine dyes, metal porphyrin dyes, bipyridyl ruthenium complexes, terpyridyl ruthenium complexes, phenanthroline ruthenium complexes, bicinchonirate ruthenium complexes, and azo ruthenium complexes Alternatively, a ruthenium complex such as a quinolinol ruthenium complex can be used.
また、色素13は、上記した色素の他に、1種あるいは2種以上の添加剤を含んでいてもよい。この添加剤としては、例えば、色素13中の色素の会合を抑制する会合抑制剤が挙げられ、具体的には、化学式(19)で表されるコール酸系化合物などである。これらは単独で用いもよいし、複数種を混合して用いてもよい。
Moreover, the pigment | dye 13 may contain the 1 type (s) or 2 or more types of additive other than the above-mentioned pigment | dye. Examples of the additive include an association inhibitor that suppresses association of the dye in the
対向電極20は、例えば、導電性基板21に導電層22が設けられたものであり、外部回路に対して正極として機能するものである。導電性基板21の材料としては、例えば、作用電極10の導電性基板11の材料と同様のものが挙げられる。導電層22は、1種あるいは2種以上の導電材と、必要に応じて結着材を含んで構成されている。導電層22に用いられる導電材としては、例えば、白金、金、銀、銅(Cu)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)あるいはインジウム(In)などの金属、炭素(C)、または導電性高分子などが挙げられる。また、導電層22に用いられる結着材としては、例えば、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、セルロース、メラミン樹脂、フロロエラストマーまたはポリイミド樹脂などが挙げられる。なお、対向電極20は、例えば、導電層22の単層構造であってもよい。
The
電解質含有層30は、例えば、酸化還元対を有するレドックス電解質を含んで構成されている。レドックス電解質としては、例えば、I- /I3 -系、Br- /Br3 -系またはキノン/ハイドロキノン系などが挙げられる。具体的には、ヨウ化物塩とヨウ素単体とを組み合わせたもの、または臭化物塩と臭素とを組み合わせたものなどのハロゲン化物塩とハロゲン単体とを組み合わせたものなどである。このハロゲン化物塩としては、ハロゲン化セシウム、ハロゲン化四級アルキルアンモニウム類、ハロゲン化イミダゾリウム類、ハロゲン化チアゾリウム類、ハロゲン化オキサゾリウム類、ハロゲン化キノリニウム類あるいはハロゲン化ピリジニウム類などが挙げられる。具体的には、これらのヨウ化物塩としては、例えば、ヨウ化セシウムや、テトラエチルアンモニウムヨージド、テトラプロピルアンモニウムヨージド、テトラブチルアンモニウムヨージド、テトラペン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、テトラへプチルアンモニウムヨージドあるいはトリメチルフェニルアンモニウムヨージドなどの4級アルキルアンモニウムヨージド類や、3−メチルイミダゾリウムヨージドあるいは1−プロピル−2,3−ジメチルイミダゾリウムヨージドなどのイミダゾリウムヨージド類や、3−エチル−2−メチル−2−チアゾリウムヨージド、3−エチル−5−(2−ヒドロキシエチル)−4−メチルチアゾリウムヨージドあるいは3−エチル−2−メチルベンゾチアゾリウムヨージドなどのチアゾリウムヨージド類や、3−エチル−2−メチル−ベンゾオキサゾリウムヨージドなどのオキサゾリウムヨージド類や、1−エチル−2−メチルキノリニウムヨージドなどのキノリニウムヨージド類や、ピリジニウムヨージド類などが挙げられる。また、臭化物塩としては、例えば、四級アルキルアンモニウムブロミドなどが挙げられる。ハロゲン化物塩とハロゲン単体とを組み合わせたものの中でも、上記したヨウ化物塩のうちの少なくとも1種とヨウ素単体との組み合わせが好ましい。
The electrolyte-containing
また、レドックス電解質は、例えば、イオン性液体とハロゲン単体とを組み合わせたものでもよい。この場合には、さらに上記したハロゲン化物塩などを含んでいてもよい。イオン性液体としては、電池や太陽電池などにおいて使用可能なものが挙げられ、例えば、「Inorg.Chem」1996,35,p1168〜1178、「Electrochemistry」2002,2,p130〜136、特表平9−507334号公報、または特開平8−259543号公報などに開示されているものが挙げられる。中でも、イオン性液体としては、室温(25℃)より低い融点を有する塩、または室温よりも高い融点を有していても他の溶融塩などと溶解することにより室温で液状化する塩が好ましい。このイオン性液体の具体例としては、以下に示したアニオンおよびカチオンなどが挙げられる。 The redox electrolyte may be, for example, a combination of an ionic liquid and a halogen simple substance. In this case, the above-described halide salt and the like may be further included. Examples of the ionic liquid include those that can be used in a battery, a solar battery, and the like. For example, “Inorg. Chem” 1996, 35, p 1168 to 1178, “Electrochemistry” 2002, 2, p 130 to 136, and JP 9 And those disclosed in JP-A No. 507334 or JP-A-8-259543. Among them, as the ionic liquid, a salt having a melting point lower than room temperature (25 ° C.), or a salt that has a melting point higher than room temperature and is liquefied at room temperature by dissolving with another molten salt is preferable. . Specific examples of this ionic liquid include the following anions and cations.
イオン性液体のカチオンとしては、例えば、アンモニウム、イミダゾリウム、オキサゾリウム、チアゾリウム、オキサジアゾリウム、トリアゾリウム、ピロリジニウム、ピリジニウム、ピペリジニウム、ピラゾリウム、ピリミジニウム、ピラジニウム、トリアジニウム、ホスホニウム、スルホニウム、カルバゾリウム、インドリウム、またはそれらの誘導体が挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種を混合して用いられてもよい。具体的には、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウム、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムあるいは1−エチル−3−メチルイミダゾリウムなどが挙げられる。 Examples of the cation of the ionic liquid include ammonium, imidazolium, oxazolium, thiazolium, oxadiazolium, triazolium, pyrrolidinium, pyridinium, piperidinium, pyrazolium, pyrimidinium, pyrazinium, triazinium, phosphonium, sulfonium, carbazolium, indolium, or those And derivatives thereof. These may be used alone or as a mixture of plural kinds. Specific examples include 1-methyl-3-propylimidazolium, 1-butyl-3-methylimidazolium, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium, 1-ethyl-3-methylimidazolium, and the like. .
イオン性液体のアニオンとしては、AlCl4 -あるいはAl2 Cl7 -などの金属塩化物や、PF6 -、BF4 -、CF3 SO3 -、N(CF3 SO2 )2 -、F(HF)n -あるいはCF3 COO- などのフッ素含有物イオンや、NO3 -、CH3 COO- 、C6 H11COO- 、CH3 OSO3 -、CH3 OSO2 -、CH3 SO3 -、CH3 SO2 -、(CH3 O)2 PO2 -、N(CN)2 -あるいはSCN- などの非フッ素化合物イオンや、ヨウ化物イオンあるいは臭化物イオンなどのハロゲン化物イオンが挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種を混合して用いられてもよい。中でも、このイオン性液体のアニオンとしては、ヨウ化物イオンが好ましい。 Examples of the anion of the ionic liquid, AlCl 4 - or Al 2 Cl 7 -, metal chlorides such as, PF 6 -, BF 4 - , CF 3 SO 3 -, N (CF 3 SO 2) 2 -, F ( HF) n - or CF 3 COO - or a fluorine-containing substance such as ion, NO 3 -, CH 3 COO -, C 6 H 11 COO -, CH 3 OSO 3 -, CH 3 OSO 2 -, CH 3 SO 3 - Non-fluorine compound ions such as CH 3 SO 2 − , (CH 3 O) 2 PO 2 − , N (CN) 2 − or SCN −, and halide ions such as iodide ions or bromide ions. These may be used alone or as a mixture of plural kinds. Among these, iodide ions are preferable as the anions of the ionic liquid.
電解質含有層30には、上記したレドックス電解質を溶媒に対して溶解させた液状の電解質(電解液)を用いてもよいし、電解液を高分子物質中に保持させた固体高分子電解質を用いてもよい。また、電解液とカーボンブラックなどの粒子状の炭素材料とを混合して含む擬固体状(ペースト状)の電解質を用いてもよい。なお、炭素材料を含む擬固体状の電解質では、炭素材料が酸化還元反応を触媒する機能を有するため、電解質中にハロゲン単体を含まなくてもよい。このようなレドックス電解質は、上記したハロゲン化物塩やイオン性液体などを溶解する有機溶媒のいずれか1種あるいは2種以上を含んでいてもよい。この有機溶媒としては、電気化学的に不活性なものが挙げられ、例えば、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル、バレロニトリル、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、N−メチルピロリドン、ペンタノール、キノリン、N,N−ジメチルホルムアミド、γ−ブチロラクトン、ジメチルスルホキシドあるいは1,4−ジオキサンなどが挙げられる。
The electrolyte-containing
この光電変換素子では、作用電極10に担持された色素13に対して光(太陽光または、太陽光と同等の紫外光、可視光あるいは近赤外光)が照射されると、その光を吸収して励起した色素13が電子を金属酸化物半導体層12へ注入する。その電子が隣接した導電層11Bに移動したのち外部回路を経由して、対向電極20に到達する。一方、電解質含有層30では、電子の移動に伴い酸化された色素13を基底状態に戻す(還元する)ように、電解質が酸化される。この酸化された電解質が上記した電子を受け取ることによって還元される。このようにして、作用電極10および対向電極20の間における電子の移動と、これに伴う電解質含有層30における酸化還元反応とが繰り返される。これにより、連続的な電子の移動が生じ、定常的に光電変換が行われる。
In this photoelectric conversion element, when light (sunlight or ultraviolet light, visible light, or near infrared light equivalent to sunlight) is applied to the
この光電変換素子は、例えば、以下のように製造することができる。 This photoelectric conversion element can be manufactured as follows, for example.
まず、作用電極10を作製する。最初に、導電性基板11の導電層11Bが形成されている面に多孔質構造を有する金属酸化物半導体層12を電解析出法や焼成法により形成する。電解析出法により形成する場合には、例えば、金属酸化物半導体材料となる金属塩を含む電解浴を、酸素や空気によるバブリングを行いながら、所定の温度とし、その中に導電性基板11を浸漬し、対極との間で一定の電圧を印加する。これにより、導電層11B上に、多孔質構造を有するように金属酸化物半導体材料を析出させる。この際、対極は、電解浴中において適宜運動させるようにしてもよい。また、焼成法により形成する場合には、例えば、金属酸化物半導体材料の粉末を分散媒に分散させることにより調製した金属酸化物スラリーを導電性基板11に塗布して乾燥させたのち焼成し、多孔質構造を有するようにする。続いて、有機溶媒に上記した化学式(1)に示したシアニン化合物を含む色素13を溶解した色素溶液を調製する。この色素溶液に金属酸化物半導体層12が形成された導電性基板11を浸漬することにより、金属酸化物半導体層12に色素13を担持させる。
First, the working
次に、導電性基板21の片面に導電層22を形成することにより、対向電極20を作製する。導電層22は、例えば、導電材をスパッタリングすることにより形成する。
Next, the
最後に、作用電極10の色素13を担持した面と、対向電極20の導電層22を形成した面とが所定の間隔を保つと共に対向するように、封止剤などのスペーサ(図示せず)を介して貼り合わせ、例えば、電解質の注入口を除いて全体を封止する。続いて、作用電極10と対向電極20との間に、電解質を注入したのち注入口を封止することにより、電解質含有層30を形成する。これにより図1および図2に示した光電変換素子が完成する。
Finally, a spacer (not shown) such as a sealant so that the surface of the working
この光電変換素子では、色素13が化学式(1)に示したシアニン化合物を含むので、化学式(1)に示した構造をもたないシアニン化合物を用いた場合と比較して、照射された光量に対する色素13から金属酸化物半導体層12への電子注入量の割合が高くなるため、変換効率を向上させることができる。この場合、特に、金属酸化物半導体層12が酸化亜鉛を含むようにすれば、酸化亜鉛を含まない場合(酸化亜鉛に代えて酸化チタンや酸化錫を含む場合)と比較して、変換効率をより向上させることができる。
In this photoelectric conversion element, since the
この光電変換素子における他の作用効果は、上記した光電変換素子用色素の作用効果と同様である。 Other functions and effects of the photoelectric conversion element are the same as those of the photoelectric conversion element dye described above.
なお、上記した光電変換素子では、作用電極10と対向電極20との間に電解質含有層30を設けた場合について説明したが、電解質含有層30に代えて固体電荷移動層を設けてもよい。この場合、固体電荷移動層は、例えば、固体中のキャリアー移動が電気伝導にかかわる材料を有している。この材料としては、電子輸送材料や正孔(ホール)輸送材料などが好ましい。
In the above-described photoelectric conversion element, the case where the electrolyte-containing
正孔輸送材料としては、芳香族アミン類や、トリフェニレン誘導体類などが好ましく、例えば、オリゴチオフェン化合物、ポリピロール、ポリアセチレンあるいはその誘導体、ポリ(p−フェニレン)あるいはその誘導体、ポリ(p−フェニレンビニレン)あるいはその誘導体、ポリチエニレンビニレンあるいはその誘導体、ポリチオフェンあるいはその誘導体、ポリアニリンあるいはその誘導体、ポリトルイジンあるいはその誘導体などの有機導電性高分子などが挙げられる。 As the hole transport material, aromatic amines, triphenylene derivatives, and the like are preferable. For example, oligothiophene compounds, polypyrrole, polyacetylene or derivatives thereof, poly (p-phenylene) or derivatives thereof, and poly (p-phenylene vinylene). Alternatively, organic conductive polymers such as derivatives thereof, polythienylene vinylene or derivatives thereof, polythiophene or derivatives thereof, polyaniline or derivatives thereof, polytoluidine or derivatives thereof, and the like can be given.
また、正孔輸送材料としては、例えば、p型無機化合物半導体を用いてもよい。このp型無機化合物半導体は、バンドギャップが2eV以上であることが好ましく、さらに、2.5eV以上であることがより好ましい。また、p型無機化合物半導体のイオン化ポテンシャルは色素の正孔を還元できる条件から、作用電極10のイオン化ポテンシャルより小さいことが必要である。使用する色素によってp型無機化合物半導体のイオン化ポテンシャルの好ましい範囲は異なってくるが、そのイオン化ポテンシャルは、4.5eV以上5.5eV以下の範囲内であることが好ましく、さらに4.7eV以上5.3eV以下の範囲内であることがより好ましい。
Further, as the hole transport material, for example, a p-type inorganic compound semiconductor may be used. The p-type inorganic compound semiconductor preferably has a band gap of 2 eV or more, and more preferably 2.5 eV or more. Further, the ionization potential of the p-type inorganic compound semiconductor needs to be smaller than the ionization potential of the working
p型無機化合物半導体としては、例えば、1価の銅を含む化合物半導体などが挙げられる。1価の銅を含む化合物半導体の一例としては、CuI、CuSCN、CuInSe2 、Cu(In,Ga)Se2 、CuGaSe2 、Cu2 O、CuS、CuGaS2 、CuInS2 、CuAlSe2 などがある。このほかのp型無機化合物半導体としては、例えば、GaP、NiO、CoO、FeO、Bi2 O3 、MoO2 またはCr2 O3 などが挙げられる。 Examples of the p-type inorganic compound semiconductor include a compound semiconductor containing monovalent copper. Examples of the compound semiconductor containing monovalent copper, there CuI, CuSCN, CuInSe 2, Cu (In, Ga) Se 2, CuGaSe 2, Cu 2 O, CuS, etc. CuGaS 2, CuInS 2, CuAlSe 2 . Examples of other p-type inorganic compound semiconductors include GaP, NiO, CoO, FeO, Bi 2 O 3 , MoO 2, and Cr 2 O 3 .
このような固体電荷移動層の形成方法としては、例えば、作用電極10の上に直接、固体電荷移動層を形成する方法があり、そののち対向電極20を形成付与してもよい。
As a method of forming such a solid charge transfer layer, for example, there is a method of forming a solid charge transfer layer directly on the working
有機導電性高分子を含む正孔輸送材料は、例えば、真空蒸着法、キャスト法、塗布法、スピンコート法、浸漬法、電解重合法または光電解重合法などの手法により電極内部に導入することができる。無機固体化合物の場合も、例えば、キャスト法、塗布法、スピンコート法、浸漬法または電解メッキ法などの手法により電極内部に導入することができる。このように形成される固体電荷移動層(特に、正孔輸送材料を有するもの)の一部は、金属酸化物半導体層12の多孔質構造の隙間に部分的に浸透し、直接接触する形態となることが好ましい。
A hole transport material containing an organic conductive polymer may be introduced into the electrode by a technique such as vacuum deposition, casting, coating, spin coating, dipping, electrolytic polymerization, or photoelectrolytic polymerization. Can do. Also in the case of an inorganic solid compound, it can be introduced into the electrode by a technique such as a casting method, a coating method, a spin coating method, a dipping method, or an electrolytic plating method. A part of the solid charge transfer layer (particularly, having a hole transport material) formed in this way partially penetrates into the gap of the porous structure of the metal
電解質含有層30に代えて固体電荷移動層を設けた光電変換素子においても、電解質含有層30を設けた場合と同様に、変換効率を向上させることができる。
In the photoelectric conversion element in which the solid charge transfer layer is provided instead of the
本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。 Specific examples of the present invention will be described in detail.
(実験例1−1)
上記実施の形態で説明した光電変換素子用色素の具体例として、化学反応式(II−1)に示したように、化学式(1)に示したシアニン化合物である化学式(1−1)に示した構造部およびヨウ化物イオンからなる化合物を合成した。
(Experimental example 1-1)
As a specific example of the dye for the photoelectric conversion element described in the above embodiment, as shown in the chemical reaction formula (II-1), it is shown in the chemical formula (1-1) which is the cyanine compound shown in the chemical formula (1). A compound consisting of a structure part and iodide ion was synthesized.
まず、化学式(15−1)で表される化合物0.002mol(0.80g)と、ピリジン2.36gと、無水酢酸(Ac2 O)0.008mol(0.41g)とを1時間常温で混合した。こののち、この混合物中に化学式(16−1)で表される化合物0.002mol(0.72g)を加えたのち、5時間常温で撹拌することにより、化学反応式(II−1)に示したように反応させた。 First, 0.002 mol (0.80 g) of the compound represented by the chemical formula (15-1), 2.36 g of pyridine, and 0.008 mol (0.41 g) of acetic anhydride (Ac 2 O) were allowed to stand at room temperature for 1 hour. Mixed. Thereafter, 0.002 mol (0.72 g) of the compound represented by the chemical formula (16-1) was added to the mixture, and the mixture was stirred at room temperature for 5 hours to obtain the chemical reaction formula (II-1). It was made to react.
次に、反応物に対してクロロホルム30gと水30gとヨウ化ナトリウム1gとを加えたのち、油液分離し、油層の溶媒(クロロホルム等)を除去することによりオイル状物質を得た。このオイル状物質にアセトン10gを加え、析出した固体をろ別後、80℃で乾燥することにより、最終生成物(化学式(1B−1)で表される化合物)0.47g(収率40%)を得た。 Next, 30 g of chloroform, 30 g of water, and 1 g of sodium iodide were added to the reaction product, followed by oil-liquid separation, and an oily substance was obtained by removing a solvent (such as chloroform) from the oil layer. To this oily substance, 10 g of acetone was added, and the precipitated solid was filtered off and dried at 80 ° C., whereby 0.47 g (yield: 40%) of the final product (compound represented by the chemical formula (1B-1)). )
(実験例1−2)
化学反応式(II−2)に示したように、化学式(1−2)に示した構造部およびヨウ化物イオンからなる化合物を合成した。
(Experimental example 1-2)
As shown in the chemical reaction formula (II-2), a compound composed of the structural part shown in the chemical formula (1-2) and iodide ions was synthesized.
まず、化学式(15−2)で表される化合物0.003mol(1.21g)と、ピリジン3.54gと、無水酢酸0.003mol(0.31g)とを1時間常温で混合した。続いて、この混合物にクロロホルム20gを加えたのち、このクロロホルム溶液を水で液−液抽出により3回洗浄した。続いて、洗浄後のクロロホルム溶液からエバポレータで溶媒を留去することによりオイル状物質を得た。次に、このオイル状物質に、ピリジン3.54gと、トリエチルアミン(TEA)0.0045mol(0.46g)と、化学式(16−1)で表される化合物0.003mol(1.08g)とを加えたのち、この混合物を5時間常温で撹拌することにより、化学反応式(II−2)に示したように反応させた。次に、この反応物に対してクロロホルム12gと水12gとヨウ化ナトリウム0.003mol(0.45g)とを加えたのち、油液分離した。こののち、この油層を酢酸水溶液(酢酸:水=2g:25g)および水でこの順に液−液抽出により洗浄し、洗浄後の油層の溶媒(クロロホルム等)を留去した。続いて、その溶媒留去後の残留物にアセトン10gを加え、固体を析出させたのち、還流洗浄した。最後に、還流洗浄後の固体をろ別後、80℃で乾燥することにより、最終生成物(化学式(1B−2)で表される化合物)0.8g(収率45%)を得た。 First, 0.003 mol (1.21 g) of the compound represented by the chemical formula (15-2), 3.54 g of pyridine, and 0.003 mol (0.31 g) of acetic anhydride were mixed at room temperature for 1 hour. Subsequently, 20 g of chloroform was added to the mixture, and the chloroform solution was washed three times with liquid-liquid extraction with water. Subsequently, an oily substance was obtained by distilling off the solvent from the washed chloroform solution with an evaporator. Next, 3.54 g of pyridine, 0.0045 mol (0.46 g) of triethylamine (TEA), and 0.003 mol (1.08 g) of the compound represented by the chemical formula (16-1) were added to this oily substance. After the addition, this mixture was stirred at room temperature for 5 hours to be reacted as shown in chemical reaction formula (II-2). Next, 12 g of chloroform, 12 g of water, and 0.003 mol (0.45 g) of sodium iodide were added to the reaction product, followed by oil-liquid separation. Thereafter, this oil layer was washed with an acetic acid aqueous solution (acetic acid: water = 2 g: 25 g) and water in this order by liquid-liquid extraction, and the solvent (such as chloroform) of the washed oil layer was distilled off. Subsequently, 10 g of acetone was added to the residue after the solvent was distilled off to precipitate a solid, followed by washing under reflux. Finally, the solid after reflux washing was filtered off and dried at 80 ° C. to obtain 0.8 g (yield 45%) of the final product (compound represented by the chemical formula (1B-2)).
(実験例1−3)
化学反応式(II−3)に示したように、化学式(1−3)に示した構造部およびヨウ化物イオンからなる化合物を合成した。
(Experimental Example 1-3)
As shown in the chemical reaction formula (II-3), a compound composed of the structural part shown in the chemical formula (1-3) and iodide ions was synthesized.
まず、化学式(15−3)で表される化合物0.0015mol(0.61g)と、アセトニトリル(CH3 CN)1.76gと、無水酢酸0.0015mol(0.15g)とを2時間常温で混合した。こののち、この混合物中に化学式(16−2)で表される化合物0.0015mol(0.44g)を加え、55℃で3時間撹拌した。こののち、この撹拌物にエタノール(EtOH)0.5gとTEA0.1gとを加え、さらに55℃で3時間撹拌することにより、化学反応式(II−3)に示したように反応させた。次に、反応物に対してクロロホルム30gと水30gとを加えたのち、油液分離し、油層の溶媒(クロロホルム等)を除去することによりオイル状物質を得た。このオイル状物質をシリカゲルクロマトグラフィーにより分離精製した。この際、移動層としては、クロロホルムとメタノールと酢酸とを容積比(クロロホルム:メタノール:酢酸)で10:1:1となるように混合したものを用いた。続いて、分離精製後のオイル状物質にクロロホルム10gと水10gと酢酸1gとヨウ化ナトリウム1gとを加えたのち、油液分離し、油層の溶媒(クロロホルム等)を留去した。最後に、その溶媒留去後の残留物にアセトン1gを加え、析出した固体をろ別後、60℃で乾燥することにより、最終生成物(化学式(1B−3)で表される化合物)0.04g(収率4%)を得た。 First, 0.0015 mol (0.61 g) of the compound represented by the chemical formula (15-3), 1.76 g of acetonitrile (CH 3 CN), and 0.0015 mol (0.15 g) of acetic anhydride were added at room temperature for 2 hours. Mixed. Thereafter, 0.0015 mol (0.44 g) of the compound represented by the chemical formula (16-2) was added to this mixture, and the mixture was stirred at 55 ° C. for 3 hours. Thereafter, 0.5 g of ethanol (EtOH) and 0.1 g of TEA were added to the stirred product, and the mixture was further stirred at 55 ° C. for 3 hours to cause a reaction as shown in chemical reaction formula (II-3). Next, after adding 30 g of chloroform and 30 g of water to the reaction product, oil-liquid separation was performed, and an oily substance was obtained by removing a solvent (such as chloroform) from the oil layer. This oily substance was separated and purified by silica gel chromatography. At this time, as the moving layer, a mixture of chloroform, methanol and acetic acid in a volume ratio (chloroform: methanol: acetic acid) of 10: 1: 1 was used. Subsequently, 10 g of chloroform, 10 g of water, 1 g of acetic acid, and 1 g of sodium iodide were added to the oily substance after separation and purification, followed by oil-liquid separation, and the solvent (such as chloroform) in the oil layer was distilled off. Finally, 1 g of acetone is added to the residue after the solvent is distilled off, and the precipitated solid is filtered off and dried at 60 ° C. to obtain the final product (compound represented by the chemical formula (1B-3)) 0 0.04 g (yield 4%) was obtained.
(実験例1−4)
化学反応式(II−4)に示したように、化学式(1−4)に示した構造部およびヨウ化物イオンからなる化合物を合成した。
(Experimental Example 1-4)
As shown in the chemical reaction formula (II-4), a compound composed of the structural part shown in the chemical formula (1-4) and iodide ion was synthesized.
まず、化学式(15−1)に示した化合物0.00075mol(0.30g)と、アセトニトリル0.92gと、無水酢酸0.00075mol(0.08g)とを1時間常温で混合した。こののち、この混合物中に化学式(16−3)で表される化合物0.00075mol(0.29g)と、エタノール0.2gとを加え、50℃で3時間撹拌することにより、化学反応式(II−4)に示したように反応させた。次に、反応物に対してクロロホルム30gと水30gとヨウ化ナトリウム1gとを加えたのち、油液分離し、油層の溶媒(クロロホルム等)を留去した。最後に、溶媒留去後の残留物をカラムクロマトグラフィーにより分離精製し、分離精製後の物質にアセトン3gを加え、析出した固体をろ別後、80℃で乾燥することにより、最終生成物(化学式(1B−4)で表される化合物)0.05g(収率11%)を得た。 First, 0.00075 mol (0.30 g) of the compound represented by the chemical formula (15-1), 0.92 g of acetonitrile, and 0.00075 mol (0.08 g) of acetic anhydride were mixed at room temperature for 1 hour. Thereafter, 0.00075 mol (0.29 g) of the compound represented by the chemical formula (16-3) and 0.2 g of ethanol are added to the mixture, and the mixture is stirred at 50 ° C. for 3 hours, whereby the chemical reaction formula ( The reaction was carried out as shown in II-4). Next, 30 g of chloroform, 30 g of water, and 1 g of sodium iodide were added to the reaction product, followed by oil-liquid separation, and the solvent (such as chloroform) in the oil layer was distilled off. Finally, the residue after evaporation of the solvent is separated and purified by column chromatography, 3 g of acetone is added to the separated and purified material, the precipitated solid is filtered off and dried at 80 ° C. to obtain the final product ( 0.05 g (yield 11%) of the compound represented by the chemical formula (1B-4) was obtained.
(実験例1−5)
化学反応式(II−5A)および化学反応式(II−5B)に示したように、化学式(1−5)に示した構造部およびテトラフルオロホウ酸イオン(BF4 -)からなる化合物を合成した。
(Experimental Example 1-5)
As shown in chemical reaction formula (II-5A) and chemical reaction formula (II-5B), a compound composed of the structure shown in chemical formula (1-5) and tetrafluoroborate ion (BF 4 − ) was synthesized. did.
まず、化学式(15−3)に示した化合物0.002mol(0.93g)と、アセトニトリル4gと、無水酢酸0.0024mol(0.24g)とを40℃で1時間混合した。こののち、この混合物中に化学式(16−4A)で表される化合物0.0022mol(0.46g)を加え、50℃で4時間撹拌することにより、化学反応式(II−5A)に示したように反応させ、化学式(16−4B)で表される化合物を合成した。続いて、化学式(16−4B)に示した化合物を含む反応物に対してクロロホルム30gと水30gとを加えたのち、油液分離し、油層の溶媒(クロロホルム等)を留去し、オイル状物質を得た。続いて、このオイル状物質にジエチルエーテルを加え、析出した固体をろ別した。こののち、その固体を、アセトニトリルと水と酢酸とTEAとを容積比で80:20:0.2:0.2(アセトニトリル:水:酢酸:TEA)の割合で混合した混合液に溶解し、高速液体クロマトグラフィ法を用いて分離することにより、化学式(16−4B)に示した化合物を含む溶液を得た。この際、高速液体クロマトグラフィの移動層としては、上記したアセトニトリルと水と酢酸とTEAとの混合液(アセトニトリル:水:酢酸:TEA(容積比)=80:20:0.2:0.2)と同様の組成のものを用いた。続いて、化学式(16−4B)に示した化合物を含む溶液から溶媒を留去したのち、留去後の残留物にジメチルスルホキシド(DMSO)2cm3 を加えて溶解させた。さらに、そのDMSO溶液に化学式(16−4C)で表されるグリシン0.15gを加え、60℃で3時間撹拌することにより、化学反応式(II−5B)に示したように反応させた。次に、反応物に対してクロロホルム50gと水50gとを加えたのち、油液分離し、油層の溶媒(クロロホルム等)を留去し、オイル状物質を得た。続いて、このオイル状物質を高速液体クロマトグラフィ法を用いて分離することにより、化学式(1B−5)で表される化合物を含む溶液を得た。ここで用いた高速液体クロマトグラフィの移動層も、上記したアセトニトリルと水と酢酸とTEAとの混合液(アセトニトリル:水:酢酸:TEA(容積比)=80:20:0.2:0.2)と同様の組成とした。最後に、化学式(1B−5)に示した化合物を含む溶液から、化学式(1B−5)に示した化合物をクロロホルム抽出したのち、その抽出物からクロロホルムを留去することにより、最終生成物(化学式(1B−5)に示した化合物)4mg(収率4%)を得た。 First, 0.002 mol (0.93 g) of the compound represented by the chemical formula (15-3), 4 g of acetonitrile, and 0.0024 mol (0.24 g) of acetic anhydride were mixed at 40 ° C. for 1 hour. After that, 0.0022 mol (0.46 g) of the compound represented by the chemical formula (16-4A) was added to this mixture, and the mixture was stirred at 50 ° C. for 4 hours, whereby the chemical reaction formula (II-5A) was shown. The compound represented by the chemical formula (16-4B) was synthesized. Subsequently, after adding 30 g of chloroform and 30 g of water to the reaction product containing the compound represented by the chemical formula (16-4B), the oil-liquid separation is performed, and the solvent (chloroform or the like) in the oil layer is distilled off to obtain an oily state. Obtained material. Subsequently, diethyl ether was added to the oily substance, and the precipitated solid was filtered off. Thereafter, the solid is dissolved in a mixed solution in which acetonitrile, water, acetic acid, and TEA are mixed at a volume ratio of 80: 20: 0.2: 0.2 (acetonitrile: water: acetic acid: TEA), By separation using high performance liquid chromatography, a solution containing the compound represented by the chemical formula (16-4B) was obtained. At this time, as the moving layer of high performance liquid chromatography, the above-mentioned mixed solution of acetonitrile, water, acetic acid and TEA (acetonitrile: water: acetic acid: TEA (volume ratio) = 80: 20: 0.2: 0.2) A composition having the same composition as in Example 1 was used. Subsequently, after the solvent was distilled off from the solution containing the compound represented by the chemical formula (16-4B), 2 cm 3 of dimethyl sulfoxide (DMSO) was added to the residue after the distillation and dissolved. Furthermore, 0.15 g of glycine represented by the chemical formula (16-4C) was added to the DMSO solution, and the mixture was stirred at 60 ° C. for 3 hours to cause a reaction as shown in the chemical reaction formula (II-5B). Next, 50 g of chloroform and 50 g of water were added to the reaction product, followed by oil-liquid separation, and the solvent (such as chloroform) in the oil layer was distilled off to obtain an oily substance. Subsequently, the oily substance was separated using a high performance liquid chromatography method to obtain a solution containing the compound represented by the chemical formula (1B-5). The moving bed of the high performance liquid chromatography used here is also the above-mentioned mixed solution of acetonitrile, water, acetic acid and TEA (acetonitrile: water: acetic acid: TEA (volume ratio) = 80: 20: 0.2: 0.2). It was set as the same composition. Finally, from the solution containing the compound represented by the chemical formula (1B-5), the compound represented by the chemical formula (1B-5) was extracted with chloroform, and then the chloroform was distilled off from the extract to obtain the final product ( 4 mg (yield 4%) of the compound represented by the chemical formula (1B-5) was obtained.
(実験例1−6)
化学反応式(II−6)に示したように、化学式(1−6)に示した構造部および臭化物イオンからなる化合物を合成した。
(Experimental example 1-6)
As shown in the chemical reaction formula (II-6), a compound composed of the structure part shown in the chemical formula (1-6) and bromide ions was synthesized.
まず、化学式(15−4)で表される化合物0.0008mol(0.36g)と、アセトニトリル2.44gと、無水酢酸0.001molとを30分間常温で混合した。こののち、この混合物中に化学式(16−5)で表される化合物0.009mol(0.32g)と、ピリジン0.6gと、エタノール3gとを加え、50℃で5時間撹拌することにより、化学反応式(II−6)に示したように反応させた。次に、反応物に対してクロロホルム30gと水30gとを加えたのち、油液分離し、油層の溶媒(クロロホルム等)を留去することによりオイル状物質を得た。こののち、このオイル状物質に対して酢酸10gと65%臭化水素酸水溶液1gとを加え、2時間40℃で混合し、次いで、この混合物にクロロホルムと水とを加えて油液分離し、油層の溶媒(クロロホルム等)を減圧留去した。続いて、溶媒留去後の残留物をシリカゲルクロマトグラフィーにより分離精製した。この際、移動層としては、アセトンとメタノールとを容積比(アセトン:メタノール)で10:1の割合で混合したものを用いた。最後に、分離精製物から溶媒を留去することにより、最終生成物(化学式(1B−6)で表される化合物)7mg(収率1.1%)を得た。 First, 0.0008 mol (0.36 g) of the compound represented by the chemical formula (15-4), 2.44 g of acetonitrile, and 0.001 mol of acetic anhydride were mixed at room temperature for 30 minutes. Thereafter, 0.009 mol (0.32 g) of a compound represented by the chemical formula (16-5), 0.6 g of pyridine, and 3 g of ethanol are added to the mixture, and the mixture is stirred at 50 ° C. for 5 hours. The reaction was carried out as shown in chemical reaction formula (II-6). Next, after adding 30 g of chloroform and 30 g of water to the reaction product, oil-liquid separation was performed, and an oily substance was obtained by distilling off the solvent (such as chloroform) in the oil layer. After that, 10 g of acetic acid and 1 g of 65% aqueous hydrobromic acid solution were added to the oily substance, mixed for 2 hours at 40 ° C., then chloroform and water were added to the mixture to separate the oil and liquid, The solvent (such as chloroform) in the oil layer was distilled off under reduced pressure. Subsequently, the residue after evaporation of the solvent was separated and purified by silica gel chromatography. At this time, as the moving layer, a mixture of acetone and methanol at a volume ratio (acetone: methanol) of 10: 1 was used. Finally, the solvent was distilled off from the separated and purified product to obtain 7 mg (yield 1.1%) of the final product (compound represented by the chemical formula (1B-6)).
(実験例1−7)
化学反応式(II−7)に示したように、化学式(1−7)に示した構造部およびヨウ化物イオンからなる化合物を合成した。
(Experimental Example 1-7)
As shown in the chemical reaction formula (II-7), a compound composed of the structural part shown in the chemical formula (1-7) and iodide ion was synthesized.
まず、化学式(15−5)で表される化合物0.0015mol(0.75g)と、アセトニトリル2.12gと、無水酢酸(Ac2 O)0.0015molとを2時間常温で混合した。こののち、この混合物中に化学式(16−6)で表される化合物0.0015mol(0.67g)と、ピリジン1.06gと、エタノール0.5gとを加えたのち、5時間55℃で撹拌することにより、化学反応式(II−7)に示したように反応させた。次に、反応物に対してクロロホルム30gと水30gと酢酸1gとを加えたのち、油液分離し、油層の溶媒(クロロホルム等)を除去することによりオイル状物質を得た。このオイル状物質にアセトン3gを加え、析出した固体をろ別後、80℃で乾燥することにより、最終生成物(化学式(1B−7)で表される化合物)0.12g(収率12%)を得た。 First, 0.0015 mol (0.75 g) of the compound represented by the chemical formula (15-5), 2.12 g of acetonitrile, and 0.0015 mol of acetic anhydride (Ac 2 O) were mixed at room temperature for 2 hours. Thereafter, 0.0015 mol (0.67 g) of the compound represented by the chemical formula (16-6), 1.06 g of pyridine, and 0.5 g of ethanol were added to the mixture, followed by stirring at 55 ° C. for 5 hours. As a result, the reaction was carried out as shown in the chemical reaction formula (II-7). Next, 30 g of chloroform, 30 g of water, and 1 g of acetic acid were added to the reaction product, followed by oil-liquid separation, and an oily substance was obtained by removing a solvent (such as chloroform) from the oil layer. 3 g of acetone was added to this oily substance, and the precipitated solid was filtered off and dried at 80 ° C. to obtain 0.12 g (yield 12%) of the final product (compound represented by the chemical formula (1B-7)). )
(実験例1−8)
化学反応式(II−8)に示したように、化学式(1−8)に示した構造部および臭化物イオンからなる化合物を合成した。
(Experimental Example 1-8)
As shown in the chemical reaction formula (II-8), a compound composed of the structure part shown in the chemical formula (1-8) and bromide ions was synthesized.
まず、化学式(15−6)で表される化合物0.001mol(0.45g)と、アセトニトリル12gと、化学式(16−7)で表される化合物0.0011mol(0.33g)との混合物に対してTEA0.002mol(0.2g)を滴下して加えた。こののち、この混合物を3時間50℃で撹拌することにより、化学反応式(II−8)に示したように反応させたところ、析出物が生じた。次に、この析出物をろ別したのち、得られた固体にアセトン10gを加えたのち、還流洗浄した。洗浄後の固体をろ別したのち、65℃で1時間乾燥することにより、最終生成物(化学式(1B−8)で表される化合物)0.12g(収率19.6%)を得た。 First, in a mixture of 0.001 mol (0.45 g) of the compound represented by the chemical formula (15-6), 12 g of acetonitrile, and 0.0011 mol (0.33 g) of the compound represented by the chemical formula (16-7). On the other hand, 0.002 mol (0.2 g) of TEA was added dropwise. After that, the mixture was stirred for 3 hours at 50 ° C. to react as shown in the chemical reaction formula (II-8). As a result, a precipitate was formed. Next, after filtering this deposit, 10 g of acetone was added to the obtained solid, followed by reflux washing. The washed solid was filtered off and dried at 65 ° C. for 1 hour to obtain 0.12 g (yield 19.6%) of the final product (compound represented by the chemical formula (1B-8)). .
(実験例1−9)
化学反応式(III−1)に示したように、化学式(1−9)に示した構造部および塩化物イオンからなる化合物を合成した。
(Experimental example 1-9)
As shown in the chemical reaction formula (III-1), a compound composed of the structural part and the chloride ion shown in the chemical formula (1-9) was synthesized.
まず、化学式(17−1)で表される化合物0.005mol(1.48g)と、アセトニトリル10gと、ブリッジ剤である化学式(18−2−1)で表される化合物0.0002molと、TEA1gとの混合物を60℃で5時間撹拌することにより、化学反応式(III−1)に示したように反応させた。この際、析出物が生じ、この析出物をろ別したところ3gの反応物(固体)を得た。続いて、この3gの反応物のうち1.5gの反応物に対して、クロロホルム10gと水10gとを加えて反応物を溶解させたのち、この溶液に塩化ナトリウム1gおよび酢酸1gを加えて析出した固体をろ別した。最後に、ろ別した固体をアセトンで洗浄したのち、75℃で1時間乾燥することにより、最終生成物(化学式(1C−9)で表される化合物)0.20g(収率31%)を得た。 First, 0.005 mol (1.48 g) of the compound represented by the chemical formula (17-1), 10 g of acetonitrile, 0.0002 mol of the compound represented by the chemical formula (18-2-1) as a bridging agent, and 1 g of TEA And the mixture was stirred at 60 ° C. for 5 hours to cause a reaction as shown in chemical reaction formula (III-1). At this time, a precipitate was formed, and when this precipitate was filtered off, 3 g of a reaction product (solid) was obtained. Subsequently, 10 g of chloroform and 10 g of water were added to 1.5 g of the reaction product of 3 g to dissolve the reaction product, and then 1 g of sodium chloride and 1 g of acetic acid were added to this solution to precipitate. The resulting solid was filtered off. Finally, the filtered solid was washed with acetone and dried at 75 ° C. for 1 hour to obtain 0.20 g (yield 31%) of the final product (compound represented by the chemical formula (1C-9)). Obtained.
これらの実験例1−1〜1−9の最終生成物について、核磁気共鳴法(nuclear magnetic resonance;NMR)により構造を同定すると共に、最大吸収波長(λmax)、モル吸収係数(ε)および分解点を調べたところ、表1および表2に示した結果を得た。 For the final products of these experimental examples 1-1 to 1-9, the structure was identified by nuclear magnetic resonance (NMR), and the maximum absorption wavelength (λmax), molar absorption coefficient (ε), and decomposition were determined. When the points were examined, the results shown in Table 1 and Table 2 were obtained.
NMR測定する際には、測定機器としてJOEL社製のLambda−400を用いた。この場合、実験例1−1,1−2,1−9では、重溶媒である重水素化されたジメチルスルホキシド(DMSO−d6 )1cm3 に対して最終生成物3〜10mgを溶解させた溶液を測定試料とし、室温にて 1H−NMRスペクトルを測定した。また、実験例1−3〜1−7では、重溶媒としてDMSO−d6 に代えて、重水素化されたクロロホルム(CDCl3 )を用いたことを除き、実験例1−1等と同様にして測定した。さらに、実験例1−8では、重溶媒としてDMSO−d6 に代えて、重水素化されたジメチルホルムアミド(DMF−d7 )を用いたことを除き、実験例1−1等と同様にして測定した。 When performing NMR measurement, Lambda-400 manufactured by JOEL was used as a measuring instrument. In this case, in Experimental Examples 1-1, 1-2, and 1-9, 3 to 10 mg of the final product was dissolved in 1 cm 3 of deuterated dimethyl sulfoxide (DMSO-d 6 ) as a deuterated solvent. Using the solution as a measurement sample, a 1 H-NMR spectrum was measured at room temperature. In Experimental Examples 1-3 to 1-7, the same procedure as in Experimental Example 1-1 was performed except that deuterated chloroform (CDCl 3 ) was used instead of DMSO-d 6 as the deuterated solvent. Measured. Furthermore, in Experimental Example 1-8, the same procedure as in Experimental Example 1-1 was performed except that deuterated dimethylformamide (DMF-d 7 ) was used instead of DMSO-d 6 as the deuterated solvent. It was measured.
最大吸収波長(λmax)およびモル吸収係数(ε)を調べる際には、日立製作所製のUVスペクトルメータ(U−3010)を用いた。この場合には、最終生成物をメタノール(CH3 OH;溶媒)に対して、吸光度が0.5〜1.0の範囲内になるように調製して測定に用いた。なお、実験例1−9では、最終生成物のメタノールに対する溶解性が低かったため、測定できなかった。 When examining the maximum absorption wavelength (λmax) and the molar absorption coefficient (ε), a UV spectrum meter (U-3010) manufactured by Hitachi, Ltd. was used. In this case, the final product was prepared for methanol (CH 3 OH; solvent) so that the absorbance was in the range of 0.5 to 1.0 and used for measurement. In Experimental Example 1-9, measurement was not possible because the solubility of the final product in methanol was low.
分解点を測定する際には、島津製作所製の熱量計TG/DTA6200を用いた。この場合、窒素ガスの流量を100cm3 /分として室温から550℃までの範囲を10℃/分の割合で昇温させて測定した。なお、実験例1−5では、最終生成物の収量が少なかったため、測定しなかった。 When measuring the decomposition point, a calorimeter TG / DTA6200 manufactured by Shimadzu Corporation was used. In this case, the measurement was performed by increasing the temperature from room temperature to 550 ° C. at a rate of 10 ° C./min with the flow rate of nitrogen gas being 100 cm 3 / min. In Experimental Example 1-5, measurement was not performed because the yield of the final product was small.
表1,表2に示したように、実験例1−1〜1−9では、それぞれ化学式(1B−1)〜化学式(1B−8)、化学式(1C−9)に示した化合物が合成されたことが確認された。 As shown in Tables 1 and 2, in Experimental Examples 1-1 to 1-9, the compounds represented by chemical formula (1B-1) to chemical formula (1B-8) and chemical formula (1C-9) were synthesized, respectively. It was confirmed that
(実験例2−1)
実験例1−1で合成した化学式(1B−1)に示した化合物を用いて、上記実施の形態で説明した光電変換素子の具体例として色素増感型太陽電池を以下の手順により作製した。
(Experimental example 2-1)
Using the compound represented by the chemical formula (1B-1) synthesized in Experimental Example 1-1, a dye-sensitized solar cell was produced according to the following procedure as a specific example of the photoelectric conversion element described in the above embodiment.
まず、作用電極10を作製した。最初に、縦2.0cm×横1.5cm×厚さ1.1mmの導電性ガラス基板(F−SnO2 )よりなる導電性基板11を用意した。続いて、導電性基板11に、縦0.5cm×横0.5cmの四角形を囲むように厚さ70μmのマスキングテープを貼り、この部分に金属酸化物スラリー3cm3 を一様の厚さとなるように塗布して乾燥させた。この場合、金属酸化物スラリーとしては、10重量%となるように酸化亜鉛粉末(平均粒径20nm;堺化学工業社製FINEX−50)を、非イオン性界面活性剤としてTriton X-100(Tritonは登録商標)を1滴添加した水に懸濁して調製したものを用いた。続いて、導電性基板11上のマスキングテープを剥がし取り、この基板を電気炉により450℃で焼成し、厚さ約5μmの金属酸化物半導体層12を形成した。続いて、化学式(1B−1)に示した化合物とデオキシコール酸とをそれぞれ3×10-4mol/dm3 および1×10-2mol/dm3 の濃度になるように無水エタノールに溶解させて、色素溶液を調製した。続いて、金属酸化物半導体層12が形成された導電性基板11を上記の色素溶液に浸漬し、色素13を担持させた。
First, the working
次に、縦2.0cm×横1.5cm×厚さ1.1mmの導電性ガラス基板(F−SnO2 )よりなる導電性基板21の片面に、スパッタリングにより白金よりなる100nmの厚さの導電層22を形成することにより、対向電極20を作製した。この場合、予め、導電性基板21には、電解液注入用の穴(φ1mm)を2つ開けておいた。
Next, a conductive film having a thickness of 100 nm made of platinum is formed on one surface of a conductive substrate 21 made of a conductive glass substrate (F-SnO 2 ) having a length of 2.0 cm, a width of 1.5 cm, and a thickness of 1.1 mm. The
次に、電解液を調製した。アセトニトリルに対して、ジメチルヘキシルイミダゾリウムヨージド(0.6mol/dm3 )、ヨウ化リチウム(0.1mol/dm3 )、ヨウ素(0.05mol/dm3 )の濃度になるように調製した。 Next, an electrolytic solution was prepared. It adjusted so that it might become a density | concentration of dimethylhexyl imidazolium iodide (0.6 mol / dm < 3 >), lithium iodide (0.1 mol / dm < 3 >), and iodine (0.05 mol / dm < 3 >) with respect to acetonitrile.
次に、厚さ50μmのスペーサを金属酸化物半導体層12の周りを囲むように配置したのち、作用電極10の色素13を担持した面と、対向電極20の導電層22を形成した面とを対向させると共に、スペーサを介して貼り合わせた。こののち、対向電極20に開けておいた注入口から調製した電解液を注入し、電解質含有層30を形成した。最後に全体を封止することにより、色素増感型太陽電池が完成した。
Next, after arranging a spacer having a thickness of 50 μm so as to surround the metal
(実験例2−2〜2−9)
色素として、化学式(1B−1)に示した化合物に代えて、表3に示したように実験例1−2〜1−9で合成した化学式(1B−2)〜化学式(1B−8),化学式(1C−9)に示した化合物を用いたことを除き、実験例2−1と同様の手順を経た。
(Experimental Examples 2-2 to 2-9)
Instead of the compound represented by the chemical formula (1B-1) as the dye, the chemical formula (1B-2) to the chemical formula (1B-8) synthesized in Experimental Examples 1-2 to 1-9 as shown in Table 3, A procedure similar to that of Experimental Example 2-1 was performed, except that the compound represented by the chemical formula (1C-9) was used.
(比較例1−1〜1−7)
色素として、化学式(1B−1)に示した化合物に代えて、表3に示したように、化学式(20)〜化学式(26)に示した化合物を用いたことを除き、実験例2−1と同様の手順を経た。化学式(20)〜化学式(26)に示した化合物は、以下の通りである。
(Comparative Examples 1-1 to 1-7)
Experimental Example 2-1 except that the compounds shown in Chemical Formula (20) to Chemical Formula (26) were used as the dye instead of the compound shown in Chemical Formula (1B-1) as shown in Table 3. The same procedure was followed. The compounds represented by chemical formula (20) to chemical formula (26) are as follows.
これらの実験例2−1〜2−9および比較例1−1〜1−7の色素増感型太陽電池について変換効率を調べたところ、表3に示した結果が得られた。また、これらの実験例を代表して実験例2−1および比較例1−1の色素増感型太陽電池についてIPCEを調べたところ、図3に示した結果が得られた。 When the conversion efficiencies were examined for the dye-sensitized solar cells of Experimental Examples 2-1 to 2-9 and Comparative Examples 1-1 to 1-7, the results shown in Table 3 were obtained. Moreover, when IPCE was investigated about the dye-sensitized solar cell of Experimental example 2-1 and Comparative example 1-1 on behalf of these experimental examples, the result shown in FIG. 3 was obtained.
変換効率は、光源AM1.5(1000W/m2 )のソーラーシュミレータを用いて、以下の算出方法により求めた。まず、色素増感型太陽電池の電圧をソースメータにて掃引し、応答電流を測定した。これにより、電圧と電流との積である最大出力を1cm2 あたりの光強度で除した値に100を乗じてパーセント表示した値を変換効率(η:%)とした。すなわち、変換効率は、(最大出力/1cm2 あたりの光強度)×100で表される。また、IPCEを測定する際には、測定装置としてペクセルテクノロジー社製のSM−10ACを用いた。なお、図3では、実験例2−1の測定結果を曲線C11として示し、比較例1−1の測定結果を曲線C21として示した。 The conversion efficiency was calculated | required with the following calculation methods using the solar simulator of light source AM1.5 (1000 W / m < 2 >). First, the voltage of the dye-sensitized solar cell was swept with a source meter, and the response current was measured. As a result, a value obtained by multiplying the value obtained by dividing the maximum output, which is the product of voltage and current, by the light intensity per 1 cm 2 and multiplying by 100 was defined as conversion efficiency (η:%). That is, the conversion efficiency is expressed by (maximum output / 1 light intensity per 1 cm 2 ) × 100. Moreover, when measuring IPCE, SM-10AC made from Peccell Technology was used as a measuring device. In FIG. 3, the measurement result of Experimental Example 2-1 is shown as a curve C11, and the measurement result of Comparative Example 1-1 is shown as a curve C21.
表3に示したように、金属酸化物半導体層12が焼成法により形成されると共に酸化亜鉛を含む場合において、色素として、キノリン骨格あるいはピリジン骨格を有する化学式(1B−1)〜化学式(1B−8),化学式(1C−9)に示した化合物を用いた実験例2−1〜2−9では、それらの骨格を持たない化学式(20)〜化学式(23)に示した化合物を用いた比較例1−1〜1−4よりも変換効率が高くなった。また、実験例2−1〜2−9では、キノリン骨格あるいはピリジン骨格を有するがアンカー基としてカルボン酸基を有するアルキル鎖を持たない化学式(24),化学式(25)に示した化合物を用いた比較例1−5,1−6よりも変換効率が高くなった。さらに、実験例2−1〜2−9では、インドレニン骨格の窒素原子にアンカー基が導入されていない化学式(26)に示した化合物を用いた比較例1−7よりも変換効率が高くなった。
As shown in Table 3, when the metal
また、図3に示したように、キノリン骨格を有するシアニン化合物を用いた実験例2−1(曲線C11)では、それを持たないシアニン化合物を用いた比較例1−1(曲線C21)よりも広い波長域の光を吸収して電流に変換していた。 Moreover, as shown in FIG. 3, in Experimental Example 2-1 (curve C11) using a cyanine compound having a quinoline skeleton, compared to Comparative Example 1-1 (curve C21) using a cyanine compound having no quinoline skeleton. It absorbed light in a wide wavelength range and converted it into current.
これらの結果は、以下のことを表している。すなわち、化学式(1B−1)に示した化合物等では、キノリン骨格あるいはピリジン骨格を含むことにより、分子全体としてのπ共役が広がるため、キノリン骨格等の代わりにインドレニン骨格やチアゾール骨格を含むシアニン化合物(化学式(20)〜化学式(23)に示した化合物)と比較して、光吸収波長域が広くなる。その上、化学式(1B−1)に示した化合物等では、金属酸化物半導体層12に吸着するためのアンカー基としてカルボン酸基を有するアルキル鎖が、化学式(1)中のR1に含まれる複素環骨格の窒素原子に導入されている。このため、化学式(1B−1)に示した化合物等では、その他のアンカー基を有するシアニン化合物(化学式(24),化学式(25)に示した化合物)や、R1中にアンカー基を含まないシアニン化合物(化学式(26)に示した化合物)と比較して、光を吸収して励起されたときの金属酸化物半導体層12に対する電子注入効率が向上する。
These results represent the following. That is, in the compound represented by the chemical formula (1B-1), the inclusion of a quinoline skeleton or a pyridine skeleton spreads the π conjugation as a whole molecule. Therefore, a cyanine containing an indolenine skeleton or a thiazole skeleton instead of the quinoline skeleton or the like. Compared with compounds (compounds represented by chemical formula (20) to chemical formula (23)), the light absorption wavelength range is widened. Moreover, in the compound or the like represented by the chemical formula (1B-1), an alkyl chain having a carboxylic acid group as an anchor group for adsorbing to the metal
また、実験例2−1〜2−4と実験例2−5との比較から、炭素原子数3のメチン鎖を有する場合には、ピリジン骨格を有するシアニン化合物よりもキノリン骨格を有するシアニン化合物において変換効率が高くなる傾向がみられた。この結果は、シアニン化合物においてピリジン骨格よりもキノリン骨格を有することにより、金属酸化物半導体層12に対する電子注入効率が向上することを表している。
Further, from the comparison between Experimental Examples 2-1 to 2-4 and Experimental Example 2-5, in the case of having a methine chain having 3 carbon atoms, in the cyanine compound having a quinoline skeleton rather than the cyanine compound having a pyridine skeleton. There was a trend toward higher conversion efficiency. This result indicates that the electron injection efficiency into the metal
さらに、実験例2−1〜2−3と実験例2−4との比較、および実験例2−6,2−7と実験例2−8,2−9との比較から、化学式(1)においてR1が化学式(2−1)に示した基であるシアニン化合物を用いた場合に、化学式(2−1)に示した基を持たないシアニン化合物を用いた場合と比較して、変換効率が高くなる傾向を示した。この結果は、シアニン化合物においてインドレニン骨格と共に嵩高い基を有することにより、会合抑制作用が発揮されたことを表している。 Further, from the comparison between Experimental Examples 2-1 to 2-3 and Experimental Example 2-4, and the comparison between Experimental Examples 2-6 and 2-7 and Experimental Examples 2-8 and 2-9, the chemical formula (1) In the case where a cyanine compound in which R1 is a group represented by the chemical formula (2-1) is used, the conversion efficiency is higher than when a cyanine compound having no group represented by the chemical formula (2-1) is used. It showed a tendency to increase. This result indicates that the association inhibitory action was exhibited by having a bulky group together with the indolenine skeleton in the cyanine compound.
これらのことから、金属酸化物半導体層12が焼成法により形成されると共に酸化亜鉛を含む光電変換素子では、以下のことが確認された。すなわち、色素13が化学式(1)に示したシアニン化合物を含むことにより、そのシアニン化合物の種類に依存することなく、変換効率を向上させることができる。この場合、化学式(1)中のR1が化学式(2−1)で表される基であれば、より変換効率を向上させることができる。また、化学式(1)中のQは炭素原子数3のメチン鎖を骨格とする連結基であると共にR2は化学式(7)または化学式(8)に示した基であれば、より変換効率を向上させることができる。
From these things, the following was confirmed in the photoelectric conversion element in which the metal
(実験例3−1〜3−9)
電解析出法により金属酸化物半導体層12を形成したことを除き、実験例2−1〜2−9と同様の手順を経た。電解析出法により金属酸化物半導体層12を形成する場合には、以下の手順により行った。まず、水に対してエオシンY(30μmol/dm3 )、塩化亜鉛(5mmol/dm3 )、塩化カリウム(0.09mol/dm3 )の濃度になるように調製した電解浴液40mlと、亜鉛板よりなる対極と、銀/塩化銀電極よりなる参照電極とを用意した。続いて、電解浴を酸素により15分間バブリングしたのち、電解浴中の溶液の温度を70℃とし、60分、電位−1.0Vの定電位電解をバブリングしながら導電性基板11の表面に製膜した。最後に、この基板を、乾燥させることなく水酸化カリウム水溶液(pH11)に浸漬し、そののち水洗することによりエオシンYを脱着した。続いて、150℃、30分間乾燥させた。
(Experimental examples 3-1 to 3-9)
Except that the metal
(比較例2−1〜2−7)
実験例3−1〜3−9と同様に金属酸化物半導体層12を形成したことを除き、比較例1−1〜1−7と同様の手順を経た。
(Comparative Examples 2-1 to 2-7)
The same procedure as Comparative Examples 1-1 to 1-7 was performed except that the metal
これらの実験例3−1〜3−9および比較例2−1〜2−7の色素増感型太陽電池について変換効率を求めたところ、表4に示した結果が得られた。 When conversion efficiency was calculated | required about the dye-sensitized solar cell of these Experimental Examples 3-1 to 3-9 and Comparative Examples 2-1 to 2-7, the result shown in Table 4 was obtained.
表4に示したように、金属酸化物半導体層12が電解析出法により形成された場合においても、表3に示した結果と同様の結果が得られた。すなわち、色素として、キノリン骨格あるいはピリジン骨格を有する化学式(1B−1)に示した化合物等を用いた実験例3−1〜3−9では、それらの骨格を持たない化学式(20)〜化学式(23)に示した化合物を用いた比較例2−1〜2−4よりも変換効率が高くなった。また、実験例3−1〜3−9では、キノリン骨格あるいはピリジン骨格を有するがアンカー基としてカルボン酸基を有するアルキル鎖を持たない化学式(24),化学式(25)に示した化合物を用いた比較例2−5,2−6よりも変換効率が高くなった。さらに、実験例3−1〜3−9では、インドレニン骨格の窒素原子にアンカー基が導入されていない化学式(26)に示した化合物を用いた比較例2−7よりも変換効率が高くなった。
As shown in Table 4, when the metal
この場合においても、実験例3−1〜3−4と実験例3−5との比較から、炭素原子数3のメチン鎖を有するシアニン化合物を用いる場合には、ピリジン骨格を有するシアニン化合物よりもキノリン骨格を有するシアニン化合物において変換効率が高くなる傾向がみられた。さらに、実験例3−1〜3−3と実験例3−4との比較、および実験例3−6,3−7と実験例3−8,3−9との比較から、化学式(1)のR1が化学式(2−1)に示した基であるシアニン化合物を用いた場合に、化学式(2−1)に示した基を持たないシアニン化合物を用いた場合よりも、変換効率が高くなる傾向を示した。 Also in this case, from the comparison between Experimental Examples 3-1 to 3-4 and Experimental Example 3-5, when a cyanine compound having a methine chain having 3 carbon atoms is used, it is more effective than a cyanine compound having a pyridine skeleton. There was a tendency for the conversion efficiency to increase in cyanine compounds having a quinoline skeleton. Further, from the comparison between Experimental Examples 3-1 to 3-3 and Experimental Example 3-4 and the comparison between Experimental Examples 3-6 and 3-7 and Experimental Examples 3-8 and 3-9, the chemical formula (1) When a cyanine compound in which R1 is a group represented by chemical formula (2-1) is used, the conversion efficiency is higher than when a cyanine compound having no group represented by chemical formula (2-1) is used. Showed a trend.
これらのことから、金属酸化物半導体層12が電解析出法により形成されると共に酸化亜鉛を含む光電変換素子では、以下のことが確認された。すなわち、色素13が化学式(1)に示したシアニン化合物を含むことにより、そのシアニン化合物の種類に依存することなく、変換効率を向上させることができる。この場合、化学式(1)中のR1が化学式(2−1)で表される基であれば、より変換効率を向上させることができる。また、化学式(1)中のQは炭素原子数3のメチン鎖を骨格とする連結基であると共にR2は化学式(7)または化学式(8)に示した基であれば、より変換効率を向上させることができる。
From these things, the following was confirmed in the photoelectric conversion element in which the metal
(実験例4−1〜4−9)
焼成法により金属酸化物半導体層12を形成する際に、酸化亜鉛粉末に代えて、酸化チタン(TiO2 )粉末を含む金属酸化物スラリーを用いたことを除き、実験例2−1〜2−9と同様の手順を経た。この場合、酸化チタン粉末を含む金属酸化物スラリーは、以下のように調製した。まず、チタンイソプロポキシド125cm3 を、0.1mol/dm3 硝酸水溶液750cm3 に攪拌しながら添加し、80℃で8時間激しく攪拌した。得られた液体をテフロン(登録商標)製の圧力容器に注ぎ入れ、その圧力容器を230℃、16時間オートクレーブにて処理した。そののちオートクレーブ処理した沈殿物を含む液体(ゾル液)を攪拌することにより再懸濁させた。続いて、この懸濁液を吸引濾過して再懸濁しなかった沈殿物を除き、ゾル状の濾液をエバポレータで酸化チタン濃度が11質量%になるまで濃縮した。こののち、濃縮液に基板への塗れ性を高めるためにTriton X-100を1滴添加した。続いて、平均粒径30nmの酸化チタン粉末(日本アエロジル社製P−25)をこのゾル状の濃縮液に、酸化チタンの含有率が全体として33質量%となるように加え、自転公転を利用した遠心撹拌を1時間行い、分散させた。
(Experimental examples 4-1 to 4-9)
When forming the metal
(比較例3−1〜3−7)
実験例4−1〜4−9と同様に金属酸化物半導体層12を形成したことを除き、比較例1−1〜1−7と同様の手順を経た。
(Comparative Examples 3-1 to 3-7)
A procedure similar to that of Comparative Examples 1-1 to 1-7 was performed except that the metal
これらの実験例4−1〜4−9および比較例3−1〜3−7の色素増感型太陽電池について、変換効率を調べたところ、表5に示した結果が得られた。 For the dye-sensitized solar cells of Experimental Examples 4-1 to 4-9 and Comparative Examples 3-1 to 3-7, the conversion efficiency was examined. The results illustrated in Table 5 were obtained.
表5に示したように、金属酸化物半導体層12が焼成法により形成されると共に酸化チタンを含む場合においても、表3に示した結果と同様の結果が得られた。すなわち、色素として、キノリン骨格あるいはピリジン骨格を有する化学式(1B−1)に示した化合物等を用いた実験例4−1〜4−9では、それらの骨格を持たない化学式(20)〜化学式(23)に示した化合物を用いた比較例3−1〜3−4よりも変換効率が高くなった。また、実験例4−1〜4−9では、キノリン骨格あるいはピリジン骨格を有するがアンカー基としてカルボン酸基を有するアルキル鎖を持たない化学式(24),化学式(25)に示した化合物を用いた比較例3−5,3−6よりも変換効率が高くなった。さらに、実験例4−1〜4−9では、インドレニン骨格の窒素原子にアンカー基が導入されていない化学式(26)に示した化合物を用いた比較例3−7よりも変換効率が高くなった。
As shown in Table 5, when the metal
この場合においても、実験例4−1〜4−4と実験例4−5との比較から、炭素原子数3のメチン鎖を有するシアニン化合物を用いる場合には、ピリジン骨格を有するシアニン化合物よりもキノリン骨格を有するシアニン化合物において変換効率が高くなる傾向がみられた。さらに、実験例4−1〜4−3と実験例4−4との比較、および実験例4−6,4−7と実験例4−8,4−9との比較から、化学式(1)のR1が化学式(2−1)に示した基であるシアニン化合物を用いた場合に、化学式(2−1)に示した基を持たないシアニン化合物を用いた場合よりも、変換効率が高くなる傾向を示した。 Also in this case, from the comparison between Experimental Examples 4-1 to 4-4 and Experimental Example 4-5, when a cyanine compound having a methine chain having 3 carbon atoms is used, it is more effective than a cyanine compound having a pyridine skeleton. There was a tendency for the conversion efficiency to increase in cyanine compounds having a quinoline skeleton. Further, from the comparison between Experimental Examples 4-1 to 4-3 and Experimental Example 4-4, and the comparison between Experimental Examples 4-6 and 4-7 and Experimental Examples 4-8 and 4-9, the chemical formula (1) When a cyanine compound in which R1 is a group represented by chemical formula (2-1) is used, the conversion efficiency is higher than when a cyanine compound having no group represented by chemical formula (2-1) is used. Showed a trend.
これらのことから、金属酸化物半導体層12が焼成法により形成されると共に酸化チタンを含む光電変換素子では、以下のことが確認された。すなわち、色素13が化学式(1)に示したシアニン化合物を含むことにより、そのシアニン化合物の種類に依存することなく、変換効率を向上させることができる。この場合、化学式(1)中のR1が化学式(2−1)で表される基であれば、より変換効率を向上させることができる。また、化学式(1)中のQは炭素原子数3のメチン鎖を骨格とする連結基であると共にR2は化学式(7)または化学式(8)に示した基であれば、より変換効率を向上させることができる。
From these things, the following was confirmed in the photoelectric conversion element in which the metal
また、上記した表3〜表5に示した結果から、本実施例における光電変換素子では、色素13が化学式(1)に示したシアニン化合物を含むことにより、そのシアニン化合物の種類や、金属酸化物半導体層12の形成方法や、金属酸化物半導体材料の種類に依存することなく、変換効率が向上することが確認された。この場合、金属酸化物半導体材料として、酸化亜鉛を用いた場合(表3,表4参照)において、酸化チタンを用いた場合(表5参照)よりも、変換効率がより高くなった。このことから、特に、金属酸化物半導体層12が酸化亜鉛を含むようにすれば、変換効率がより向上することが確認された。
Further, from the results shown in Tables 3 to 5, in the photoelectric conversion element in this example, when the
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記した実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、本発明の光電変換素子の使用用途は、必ずしも既に説明した用途に限らず、他の用途であってもよい。他の用途としては、例えば、光センサなどが挙げられる。 The present invention has been described with reference to the embodiments and examples. However, the present invention is not limited to the embodiments described in the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, the usage application of the photoelectric conversion element of the present invention is not necessarily limited to the usage already described, and may be other usages. Other applications include, for example, an optical sensor.
10…作用電極、11,21…導電性基板、11A…基板、11B…導電層、12…金属酸化物半導体層、12A…緻密層、12B…多孔質層、13…色素、20…対向電極、22…導電層、30…電解質含有層。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記色素は、化学式(1)で表されるシアニン化合物を含む
ことを特徴とする光電変換素子。
The said pigment | dye contains the cyanine compound represented by Chemical formula (1). The photoelectric conversion element characterized by the above-mentioned.
ことを特徴とする請求項1記載の光電変換素子。 Wherein R14, R24, R31, R36 and R41 is an ethylene group - photoelectric conversion element according to claim 1, wherein it is a (-CH 2 -CH 2).
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。
ことを特徴とする請求項3記載の光電変換素子。 Wherein R14 is an ethylene group - photoelectric conversion element according to claim 3, wherein it is a (-CH 2 -CH 2).
前記R2は、前記化学式(7)または化学式(8)に示した基である
ことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の光電変換素子。 Q is a linking group having a skeleton of a methine chain having 3 carbon atoms,
5. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein R 2 is a group represented by the chemical formula (7) or the chemical formula (8).
ことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の光電変換素子。 5. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein Q is a linking group in which a cyano group is introduced into a methine chain having 5 carbon atoms.
ことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 6, wherein the carrier includes zinc oxide (ZnO).
ことを特徴とする光電変換素子用色素。
ことを特徴とする請求項8記載の光電変換素子用色素。 Wherein R14, R24, R31, R36 and R41 are an ethylene group (-CH 2 -CH 2 -) according to claim 8, wherein dye for a photoelectric conversion device, characterized in that.
ことを特徴とする請求項8に記載の光電変換素子用色素。
ことを特徴とする請求項10記載の光電変換素子用色素。 Wherein R14 is an ethylene group (-CH 2 -CH 2 -) of claim 10, wherein the dye for a photoelectric conversion device, characterized in that.
前記R2は、前記化学式(7)または化学式(8)に示した基である
ことを特徴とする請求項8ないし請求項11のいずれか1項に記載の光電変換素子用色素。 Q is a linking group having a skeleton of a methine chain having 3 carbon atoms,
The dye for a photoelectric conversion element according to any one of claims 8 to 11, wherein R2 is a group represented by the chemical formula (7) or the chemical formula (8).
ことを特徴とする請求項8ないし請求項11のいずれか1項に記載の光電変換素子用色素。 12. The dye for a photoelectric conversion element according to claim 8, wherein Q is a linking group in which a cyano group is introduced into a methine chain having 5 carbon atoms.
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