JP2014053263A - Dye-sensitized solar battery, dye-sensitized solar battery module and method of manufacturing organic dye - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、色素増感型太陽電池、色素増感型太陽電池モジュール及び有機色素の製造方法に関する。 The present invention relates to a dye-sensitized solar cell, a dye-sensitized solar cell module, and a method for producing an organic dye.
近年、金属を持たない、様々な有機色素系化合物が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1では、末端に酸性基を有し、窒素原子に結合した有機残基や置換基を有する構造を提案している。また、インドリン骨格とカルボン酸をアンカー基として有する有機色素を用いた色素増感型太陽電池の耐久性について詳細に検討されている(例えば、非特許文献1参照)。この非特許文献1によれば、耐久性試験の間に、酸化チタンと有機色素とを結合するアンカー基であるカルボン酸が脱炭酸することが明らかとなり、この結果、太陽電池として劣化し、耐久性が低くなるものと考察されている。
In recent years, various organic dye-based compounds having no metal have been proposed (for example, see Patent Document 1). This
上述のように、非特許文献1では、アンカー基として、カルボン酸以外を用いる必要があることが指摘されている。この点について、特許文献1では、カルボン酸以外に、リン酸をアンカー基として用いることが開示されている(例えば、特許文献1の表8、比較例2など参照)。しかしながら、有機溶媒、例えばアセトニトリル等を電解液に用いた場合、太陽電池としての耐久性は、AM1.5疑似太陽光暴露100時間後の変換効率が5割減など、とても低かった。なお、特許文献1では、有機色素を太陽電池に用いた際の耐久性について検討しているが、ここでの耐久性評価は、100mW/cm2の光量で100時間など、耐久試験としては、穏やかな条件であると考えられる。実用に準じた耐久性を評価、発表している文献はまだ少ない。このように、有機色素を用いた色素増感型太陽電池において、耐久性をより向上することが求められていた。
As described above,
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、耐久性をより向上することができる色素増感型太陽電池、色素増感型太陽電池モジュール及び有機色素の製造方法を提供することを主目的とする。 This invention is made | formed in view of such a subject, and provides the manufacturing method of the dye-sensitized solar cell which can improve durability more, a dye-sensitized solar cell module, and an organic dye. Main purpose.
上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、インドリン骨格を有する有機色素において、シアノリン酸基をアンカー基としたうえで、電解液にイオン性液体を用いると、耐久性が格段に向上することを見いだし、本発明を完成するに至った。また、本発明者らは、インドリン骨格とアルデヒド基を有する化合物にアセトニトリル中でリン酸エステル基を導入したのち、ジクロロメタン中で加水分解すると、シアノリン酸基とインドリン骨格とを有する有機色素を収率よく合成することができることを見いだし、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent research to achieve the above-described object, the present inventors have found that in an organic dye having an indoline skeleton, when an ionic liquid is used as an electrolytic solution after using a cyanophosphate group as an anchor group, the durability is improved. Has been found to be significantly improved, and the present invention has been completed. In addition, the present inventors introduced a phosphate ester group in acetonitrile to a compound having an indoline skeleton and an aldehyde group, and then hydrolyzed in dichloromethane to obtain an organic dye having a cyanophosphate group and an indoline skeleton in a yield. The inventors have found that they can be synthesized well and have completed the present invention.
即ち、本発明の色素増感型太陽電池は、
有機色素を含む半導体層を透明導電性基板上に備えた光電極と、前記光電極に向かい合うように配置された対極と、前記光電極と前記対極との間に介在する電解液を含む電解質層と、を備え、
前記有機色素は、シアノリン酸基をアンカー基として有しており、
前記電解液は、イオン性液体を含むものである。
That is, the dye-sensitized solar cell of the present invention is
A photoelectrode provided with a semiconductor layer containing an organic dye on a transparent conductive substrate, a counter electrode disposed so as to face the photoelectrode, and an electrolyte layer containing an electrolytic solution interposed between the photoelectrode and the counter electrode And comprising
The organic dye has a cyanophosphate group as an anchor group,
The electrolytic solution contains an ionic liquid.
本発明の色素増感型太陽電池モジュールは、上述した色素増感型太陽電池を複数備えているものである。 The dye-sensitized solar cell module of the present invention includes a plurality of the dye-sensitized solar cells described above.
本発明の有機色素の製造方法は、
(a)アセトニトリル中でインドリン骨格とアルデヒド基を有する化合物にリン酸エステル基を導入する工程と、
(b)前記工程(a)での反応物をジクロロメタン中でアルコールにより加水分解を行い、シアノリン酸基とインドリン骨格とを有する有機色素を生成する工程と、を含むものである。
The method for producing the organic dye of the present invention comprises:
(A) introducing a phosphate ester group into a compound having an indoline skeleton and an aldehyde group in acetonitrile;
(B) The reaction product in the step (a) is hydrolyzed with alcohol in dichloromethane to produce an organic dye having a cyanophosphate group and an indoline skeleton.
本発明の色素増感型太陽電池、色素増感型太陽電池モジュールは、耐久性をより向上することができる。このような効果が得られる理由は明らかではないが、以下のように推測される。例えば、色素増感型太陽電池において、有機色素は、例えば、n型半導体である酸化チタンの表面に形成される。Hard and Soft Acids and Bases(HSAB)論により、硬い酸であるチタン金属と、硬い塩基であるリン酸との化学結合が、例えば、太陽電池の温度が高い状態においても強くなり、有機色素の電解液中への脱離をより防止し、太陽電池の耐久性がより向上したものと推察される。即ち、リン酸基とn型半導体の表面とにおいて、原子(分子)間の結合力がより強くなることによって、有機色素の脱離をより抑制するものと推察される。また、リン酸基は、水酸基を2つ持つため、n型半導体の表面への吸着状態がカルボン酸に比して多様であり、有機色素の脱離をより抑制するものと推察される。また、pKaの観点から、カルボン酸は、1つのプロトンを持つのに対し、リン酸は2つのプロトンを持ちつつ、弱い酸性度を示すものであるから、より、n型半導体の表面の結合力がカルボン酸に比して高いことが考えられる。更に、蒸気圧が低く揮発性の少ない、粘性の高いイオン性液体を電解液の溶媒として用いることにより、有機色素の溶解性が有機溶媒に対して低いため、有機色素の脱離をより抑制するものと推察される。この結果、色素増感型太陽電池の耐久性をより向上することができるものと推察される。 The dye-sensitized solar cell and the dye-sensitized solar cell module of the present invention can further improve the durability. The reason why such an effect is obtained is not clear, but is presumed as follows. For example, in a dye-sensitized solar cell, the organic dye is formed on the surface of titanium oxide, which is an n-type semiconductor, for example. According to the theory of Hard and Soft Acids and Bases (HSAB), the chemical bond between titanium metal, which is a hard acid, and phosphoric acid, which is a hard base, becomes stronger even when the temperature of the solar cell is high, for example. It is presumed that the detachment into the liquid is further prevented and the durability of the solar cell is further improved. That is, it is presumed that the bond between atoms (molecules) becomes stronger at the phosphate group and the surface of the n-type semiconductor, thereby further suppressing the elimination of the organic dye. Moreover, since the phosphoric acid group has two hydroxyl groups, the adsorption state on the surface of the n-type semiconductor is more diverse than that of carboxylic acid, and it is presumed that the elimination of the organic dye is further suppressed. Moreover, from the viewpoint of pKa, carboxylic acid has one proton, whereas phosphoric acid has two protons and exhibits weak acidity. Is considered to be higher than carboxylic acid. In addition, by using a highly viscous ionic liquid with low vapor pressure and low volatility as the solvent of the electrolyte, the organic dye is less soluble in the organic solvent, thereby further suppressing the elimination of the organic dye. Inferred. As a result, it is presumed that the durability of the dye-sensitized solar cell can be further improved.
また、本発明の有機色素の製造方法は、シアノリン酸基とインドリン骨格とを有する有機色素を収率よく合成することができる。このような効果が得られる理由は明らかではないが、以下のように推測される。例えば、各工程で使用する溶媒などが、原料として用いる化合物などに対して、より適しており、副反応などを効率よく抑制するためであると推察される。 In addition, the method for producing an organic dye of the present invention can synthesize an organic dye having a cyanophosphate group and an indoline skeleton with high yield. The reason why such an effect is obtained is not clear, but is presumed as follows. For example, it is speculated that the solvent used in each step is more suitable for the compound used as a raw material and the like, and the side reaction and the like are efficiently suppressed.
本発明の色素増感型太陽電池モジュールの一実施形態を図面を用いて説明する。図1は、色素増感型太陽電池モジュール10の構成の概略の一例を示す断面図である。図1に示すように、本実施形態に係る色素増感型太陽電池モジュール10は、透明導電性基板14上に複数の色素増感型太陽電池40(以下セルとも称する)が順次配列した構成となっている。これらのセルは直列に接続されている。この色素増感型太陽電池モジュール10では、各セルの間を埋めるように、シール材32が形成されており、透明導電性基板14とは反対側のシール材32の面に平板状の保護部材34が形成されている。本実施形態に係る色素増感型太陽電池40は、光が透過する透明基板11の表面に透明導電膜12が形成されている透明導電性基板14と、透明導電膜12に形成され色素を含む多孔質半導体層24と、多孔質半導体層24に対して電解質層26を介して設けられた対極30と、を備えている。光電極20は、透明導電性基板14と、透明基板11の受光面13の反対側の面に分離形成された透明導電膜12に配設され受光に伴い電子を放出する多孔質半導体層24とを備えている。この色素増感型太陽電池40は、多孔質体に電解液を含んで形成された電解質層26を備えており、イオン性液体等の電解液を介して発電可能な構成となっている。
An embodiment of the dye-sensitized solar cell module of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an example of a schematic configuration of a dye-sensitized
本発明の色素増感型太陽電池40は、色素を含む多孔質半導体層24を透明導電性基板14上に備えた光電極20と、光電極20に向かい合うように配置された対極30と、光電極20と対極30との間に介在する電解液を含む電解質層26と、を備え、有機色素は、シアノリン酸基をアンカー基として有しており、電解液は、イオン性液体を含むものである。
The dye-sensitized
透明導電性基板14は、透明基板11と透明導電膜12とにより構成され、光透過性及び導電性を有するものである。具体的には、フッ素ドープSnO2コートガラス、ITOコートガラス、ZnO:Alコートガラス、アンチモンドープ酸化スズ(SnO2−Sb)コートガラス等が挙げられる。また、酸化スズや酸化インジウムに原子価の異なる陽イオン若しくは陰イオンをドープした透明電極、メッシュ状、ストライプ状など光が透過できる構造にした金属電極をガラス基板等の基板上に設けたものも使用できる。この透明導電性基板14の透明導電膜12側の両端には、集電電極16,17が設けられており、この集電電極16,17を介して色素増感型太陽電池40で発電した電力を利用することができる。
The transparent
透明基板11としては、例えば、透明ガラス、透明プラスチック板、透明プラスチック膜、無機物透明結晶体などが挙げられ、このうち、透明ガラスが好ましい。この透明基板11は、透明なガラス基板、ガラス基板表面を適当に荒らすなどして光の反射を防止したもの、すりガラス状の半透明のガラス基板など光を透過するものなどとしてもよい。透明導電膜12は、例えば、透明基板11上に酸化スズを付着させることにより形成することができる。特に、フッ素をドープした酸化スズ(FTO)等の金属酸化物を用いれば、好適な透明導電膜12を形成することができる。透明導電膜12は、所定の間隔に溝18が形成されており、この溝18の幅に相当する間隔を隔てて複数の透明導電膜12の領域が分離形成されている。
Examples of the transparent substrate 11 include transparent glass, a transparent plastic plate, a transparent plastic film, and an inorganic transparent crystal, and among these, transparent glass is preferable. The transparent substrate 11 may be a transparent glass substrate, a glass substrate whose surface is appropriately roughened to prevent reflection of light, or a transparent glass substrate such as a ground glass-like translucent glass substrate. The transparent
多孔質半導体層24は、光増感剤である色素と、色素を含む多孔質のn型半導体層とにより形成されている。n型半導体としては、金属酸化物半導体や金属硫化物半導体などが適しており、例えば、酸化チタン(TiO2)、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、硫化カドミウム(CdS)、硫化亜鉛(ZnS)のうち少なくとも1以上であることが好ましく、このうち多孔質の酸化チタンがより好ましい。これらの半導体材料を微結晶又は多結晶状態にして薄膜化することにより、良好な多孔質のn型半導体層を形成することができる。特に、多孔質の酸化チタン層は、光電極20が有するn型半導体層として好適である。また、酸化チタンとしては、伝導帯の下端のエネルギー準位がより高く、開放端電圧がより高いことから、ルチル型TiO2よりもアナターゼ型TiO2が好ましい。
The
有機色素は、シアノリン酸基をアンカー基として有している化合物である。この有機色素は、更に、次式(1)に示すインドリン骨格を有するものとしてもよい。また、この有機色素は、基本式(2)で表されるものとしてもよい。基本式(2)で表される有機色素は、鮮やかな黄色である。このため、これを用いれば、太陽電池パネルのカラーバリエーションの多様性に寄与することができる。なお、アンカー基とは、例えば、n型半導体に結合する官能基であり、例えば、末端に水酸基を有するものなどが挙げられる。また、図2,3に示すような、シアノリン酸基をアンカー基として有している有機色素としてもよい。例えば、有機色素C201〜C208、C211、C212、JK2、JK45、JK46、D21L6などのアンカー基をシアノリン酸基とする、有機色素C201P〜C208P、C211P、C212P、JK2P、JK45P、JK46P、D21L6Pなどが挙げられる(図2,3)。この有機色素は、多孔質のn型半導体の表面に吸着させるものとしてもよい。この吸着は、化学吸着や物理吸着等によって行うことができる。具体的には、多孔質のn型半導体層を透明導電性基板14上に形成したのち、このn型半導体層へ有機色素を含む溶液を滴下して乾燥する方法や、n型半導体層を形成させた透明導電性基板14を有機色素を含む溶液に浸漬させたのち乾燥する方法などにより作製することができる。
An organic dye is a compound having a cyanophosphate group as an anchor group. This organic dye may further have an indoline skeleton represented by the following formula (1). Moreover, this organic pigment | dye is good also as what is represented by basic formula (2). The organic dye represented by the basic formula (2) is bright yellow. For this reason, if this is used, it can contribute to the diversity of the color variation of a solar cell panel. In addition, an anchor group is a functional group couple | bonded with an n-type semiconductor, for example, What has a hydroxyl group at the terminal etc. is mentioned, for example. Moreover, it is good also as an organic pigment | dye which has a cyano phosphate group as an anchor group as shown in FIG. For example, organic dyes C201P to C208P, C211P, C212P, JK2P, JK45P, JK46P, D21L6P, etc. having an anchor group such as organic dyes C201 to C208, C211, C212, JK2, JK45, JK46, and D21L6 as cyanophosphate groups. (FIGS. 2 and 3). This organic dye may be adsorbed on the surface of a porous n-type semiconductor. This adsorption can be performed by chemical adsorption or physical adsorption. Specifically, after forming a porous n-type semiconductor layer on the transparent
電解質層26は、対極30と光電極20との間の電子の受け渡しを媒介する層であり、例えば、液状またはゲル状の電解質を含むものとしてもよい。この電解質層26は、例えば、多孔質体に電解液を含む層とすることが好ましい。この多孔質体は、電解液を保持可能であり、電子伝導性を有さない多孔体であれば特に限定されず、例えば、多孔質体として、ルチル型の酸化チタン粒子により形成した多孔体を使用してもよい。この多孔質体は、セパレータの機能を有している。多孔質体は、多孔質半導体層24の裏面25を覆う部分と、多孔質半導体層24のうち裏面25に隣接する側面に密着する顎状の縁部分とを有している。この鍔状の縁部分は、透明基板11に直接、接触している。透明導電性基板14と電解質層26の多孔質体との接続部において、透明導電膜12の一部は、例えばレーザスクライブ等の技術により完全に削りとられ、透明基板11の表面が露出される深さの溝18が形成されている。そして、この溝18に電解質層26の多孔質体の鍔状に形成された縁部分が挿入されている。
The
電解質層26に含まれる電解液は、イオン性液体を含んでいる。イオン性液体としては、例えば、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(EMI−TFSI)、1−アリル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(AMII−TFSI)、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラシアノボレート(EMI−TCB)、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(BMI−BF4)などのイミダゾリウム塩が挙げられる。このイオン性液体を含むものとすれば、シアノリン酸基を有する有機色素の電解液中への溶解をより抑制することができ、ひいては、太陽電池の耐久性をより向上することができる。また、電解液には、イオン性液体に加えて、例えば、メトキシプロプオニトリル、アセトニトリル等のニトリル系溶媒、γ−ブチロラクトン、バレロラクトン等のラクトン系溶媒、エチレンカーボネート、プロプレンカーボネート等のカーボネート系溶媒などのうち1以上が含まれていてもよい。
The electrolytic solution contained in the
電解質層26に含まれる電解液には、酸化還元対を含むものとしてもよい。この酸化還元対によって、光電極20と、対極30との間の電子の受け渡しが媒介される。なお、この電解液の一部は、通常、多孔質体である光電極20に含浸している。酸化還元対としては、I3 -/I-、Br3 -/Br-、ハイドロキノン/キノン、コバルトイオン、鉄イオン等が挙げられ、これらの中でも、特にI3 -/I-を好適に用いることができる。また、電解液には、酸化還元対としてヨウ素を含むイオン性液体(ヨウ素系イオン性液体)を含むことが好ましい。このヨウ素系イオン性液体としては、例えば、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウムヨージド(以下、PMIIと略記する)や、1,2ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムヨージド(DMPII)、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヨージド、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムヨージド、1−アリル−3−エチルイミダゾリウムヨージド、1,3−ジメチルイミダゾリウムヨージド、1,2ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムヨージドなどが挙げられる。
The electrolytic solution contained in the
電解質層26に含まれる電解液には、添加剤を含むものとしてもよい。添加剤としては、例えば、グアニジンチオシアネートや、4−tert−ブチルピリジン、N−メチル−ベンゾイミダゾール等をそれぞれ適宜加えてもよい。電解液中の添加剤の濃度は0.001mol/L以上1.0mol/L以下の範囲であることが好ましい。
The electrolyte solution contained in the
対極30は、電解質層26の裏面27及び鍔状の縁部分とに接触するよう、鍔状の縁部分を有する断面L字状に形成されている。この対極30は、電解質層26の裏面に接続されていると共に、鍔状の縁部分が接続部21を介して隣側の透明導電膜12に接続されている。電解質層26の裏面27と接触するこの対極30の面は、光電極20に対して所定の間隔を隔てて対向している。対極30としては、導電性及び電解質層26との接合性を有するものであれば特に限定されず、例えば、Pt,Au,カーボンなどが挙げられ、このうちカーボンが好ましい。この対極30は、例えば、カーボンブラック粒子と、グラファイト粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子等の導電性酸化物粒子とを構成材料として形成された多孔質の炭素電極としてもよい。なお、この対極30には、例えば、電極反応の速度をより速やかに進行させる観点から、Pt微粒子などの触媒微粒子が分散担持されていてもよい。
The
シール材32は、各色素増感型太陽電池40の外周側を覆うように形成されており、電解質層26中に充填されている電解質が外部へ漏れ出すことを防止することを主な目的として設けられている。シール材32としては、例えば、絶縁性の部材であれば特に限定されずに用いることができ、ポリエチレン、アイオノマー樹脂等の熱可塑性樹脂フィルム、エポキシ系接着剤等を使用することができる。
The sealing
保護部材34は、色素増感型太陽電池40の保護を図る部材であり、例えば、防湿フィルムや保護ガラスなどとすることができる。
The
この色素増感型太陽電池40に対して、透明基板11の受光面13側から光を照射すると、透明導電膜12の受光面15及び受光面23を介して光が多孔質半導体層24へ到達し、色素が光を吸収して電子が発生する。電子は光電極20から透明導電膜12、接続部21を経由して隣の対極30へ移動する。色素増感型太陽電池40では、この電子の移動により起電力が発生し、電池の発電作用が得られる。この色素増感型太陽電池モジュール10では、多孔質半導体層24にシアノリン酸基をアンカー基として有する有機色素を含むと共に、電解質層26にイオン性液体を含む電解液を有するため、例えば、耐久特性、特に高温での耐久性をより向上することができる。この理由は、以下のように推察される。一般にアンカー基としては、リン酸のほかにカルボン酸が用いられる。本発明の色素増感型太陽電池では、リン酸基と多孔質半導体層24の酸化チタン表面とにおいて、原子(分子)間の結合力がより強くなったり、リン酸基がヒドロキシ基を2つ持つため酸化チタンの表面への吸着状態がカルボン酸などに比して多様であったり、リン酸は2つのプロトンを持ちつつ弱い酸性度を示すものであるから、よりチタンの表面の結合力がカルボン酸に比して高いなどにより、有機色素が多孔質半導体層24に強固に吸着しているためであると推察される。また、蒸気圧が低く揮発性の少ない、粘性の高いイオン性液体を電解液の溶媒として用いるため、有機色素の溶解性が有機溶媒に対して低く、有機色素の脱離をより抑制するものと推察される。この結果、色素増感型太陽電池の耐久性をより向上することができるものと推察される。また、基本式(2)で表される有機色素は、鮮やかな黄色であるため、これを用いれば、太陽電池パネルのカラーバリエーションの多様性に寄与することができるものと推察される。
When the dye-sensitized
次に、本発明の有機色素の合成方法について説明する。本発明の有機色素の合成方法は、アセトニトリル中でインドリン骨格とアルデヒド基を有する化合物(以下、原料化合物とも称する)にリン酸エステル基を導入する工程(a)と、工程(a)での反応物をジクロロメタン中でアルコールにより加水分解を行いシアノリン酸基とインドリン骨格とを有する有機色素を生成する工程(b)と、を含むものである。 Next, a method for synthesizing the organic dye of the present invention will be described. The organic dye synthesis method of the present invention includes a step (a) of introducing a phosphate ester group into a compound having an indoline skeleton and an aldehyde group (hereinafter also referred to as a raw material compound) in acetonitrile, and a reaction in the step (a). And a step (b) of hydrolyzing the product with alcohol in dichloromethane to produce an organic dye having a cyanophosphate group and an indoline skeleton.
工程(a)では、原料化合物にリン酸エステル基を導入する処理を行う。この原料化合物では、例えば、基本式(3)で表される化合物を用いることが好ましい。この工程(a)では、原料化合物とシアノメチルホスホン酸ジエチルとをアセトニトリル中で反応させることが好ましい。こうすれば、比較的容易に、原料化合物にリン酸エステル基を導入することができる。この工程(a)では、シリカカラムに混合溶媒を用いて、反応生成物を精製することが好ましい。この混合溶媒は、例えば、ジクロロメタンと酢酸エチルとの混合溶液を用いることが好ましい。こうすれば、反応生成物を精製しやすい。また、生成物に対して、クーゲルロール法を用いて、高純度化を図ることがより好ましい。こうすれば、より高い収率で反応生成物(中間体)得ることができる。クーゲルロール法では、不純物を150℃まで加熱することが好ましい。 In the step (a), a treatment for introducing a phosphate group into the raw material compound is performed. In this raw material compound, for example, a compound represented by the basic formula (3) is preferably used. In this step (a), it is preferable to react the raw material compound and diethyl cyanomethylphosphonate in acetonitrile. In this way, a phosphate group can be introduced into the raw material compound relatively easily. In this step (a), it is preferable to purify the reaction product using a mixed solvent for the silica column. As the mixed solvent, for example, a mixed solution of dichloromethane and ethyl acetate is preferably used. This facilitates purification of the reaction product. Moreover, it is more preferable to achieve high purity of the product using a Kugelrohr method. In this way, a reaction product (intermediate) can be obtained with a higher yield. In the Kugelrohr method, it is preferable to heat the impurities to 150 ° C.
工程(b)では、工程(a)での反応物を加水分解する処理を行う。この工程(b)では、工程(a)の反応物にジクロロメタン中でヨウ化トリメチルシランを加えて攪拌したのち、メタノールにより加水分解を行うことが好ましい。加水分解したのち、メタノールを用いて、ゲルろ過により、生成物(目的物)を溶離し、単離精製することが好ましい。こうすれば、上記基本式(2)に示した、シアノリン酸基とインドリン骨格とを有する有機色素を生成することができる。 At a process (b), the process which hydrolyzes the reaction material in a process (a) is performed. In this step (b), it is preferable to add trimethylsilane iodide in dichloromethane to the reaction product of step (a) and stir, followed by hydrolysis with methanol. After hydrolysis, the product (target product) is preferably eluted and purified by gel filtration using methanol. By doing so, it is possible to produce an organic dye having a cyanophosphate group and an indoline skeleton as shown in the basic formula (2).
以上詳述した本実施形態の有機色素の製造方法では、シアノリン酸基とインドリン骨格とを有する有機色素を収率よく合成することができる。このような効果が得られる理由は、例えば、各工程で使用する溶媒などが、原料として用いる化合物などに対して、より適しており、副反応などを効率よく抑制するためであると推察される。 In the method for producing an organic dye according to this embodiment described in detail above, an organic dye having a cyanophosphate group and an indoline skeleton can be synthesized with high yield. The reason why such an effect is obtained is presumed to be that, for example, the solvent used in each step is more suitable for the compound used as a raw material and the like, and the side reaction and the like are efficiently suppressed. .
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.
例えば上述した実施形態では、色素増感型太陽電池モジュール10としたが、特にこれに限定されず、色素増感型太陽電池40としてもよい。図4は、色素増感型太陽電池40の構成の概略の一例を示す断面図である。図4では、図1で説明した構成と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。図4に示すように、色素増感型太陽電池40の単体では、電解質層26や対極30を断面をL字状ではなく、鍔状の縁部分を省略して平板状に形成するものとしてもよい。また、対極30は、例えば透明導電性基板14と同じ構成を有するものを用いるものとしてもよいし、透明導電膜12に白金を付着させたものや、白金などの金属薄膜などとしてもよい。更に、電解質層26は、多孔質体を省略し、光電極20と対極30との空間に電解液を収容したものとしてもよい。
For example, in the above-described embodiment, the dye-sensitized
以下には、本発明の色素増感型太陽電池40を具体的に作製した例を実施例として説明する。
Below, the example which produced the dye-sensitized
[有機色素の合成]
図5は、シアノリン酸基を導入した有機色素(D131P)の合成スキームである。まず、アセトニトリル中で、シアノメチルホスホン酸ジエチルと、ピペリジンと、原料化合物であるインドリン骨格とアルデヒド基とを有する化合物(式(3))とを、モル比で、1.0:2.0:1.0の割合で混合し、2時間還流した。次に、シリカカラムにより、質量比が10:1であるジクロロメタンと酢酸エチルとの混合溶媒を用いて、反応生成物を精製した。クーゲルロール法を用いて、不純物を150℃まで加熱し、高純度の目的物を得た。1H−NMR装置(日本電子社製 ECX−400P)と、LC−MS質量分析装置(日本電子社製 Accu TOF JMS−T100LC)とにより構造解析を行い、式(4)の化合物の構造を確認した。なお、収率は81質量%であった。
[Synthesis of organic dyes]
FIG. 5 is a synthesis scheme of an organic dye (D131P) having a cyanophosphate group introduced therein. First, diethyl cyanomethylphosphonate, piperidine, and a compound having an indoline skeleton and an aldehyde group (formula (3)) in acetonitrile in a molar ratio of 1.0: 2.0: 1 0.0 and mixing at reflux for 2 hours. Next, the reaction product was purified by a silica column using a mixed solvent of dichloromethane and ethyl acetate having a mass ratio of 10: 1. Impurities were heated to 150 ° C. using a Kugelrohr method to obtain a high-purity target product. Structural analysis was performed using a 1 H-NMR apparatus (ECX-400P manufactured by JEOL Ltd.) and an LC-MS mass spectrometer (Accu TOF JMS-T100LC manufactured by JEOL Ltd.), and the structure of the compound of formula (4) was confirmed. did. The yield was 81% by mass.
次に、得られた反応物90mgを、ジクロロメタン10mLに入れ、ヨウ化トリメチルシランを200μL滴下し、5時間室温で攪拌した。その後、メタノールを加え、加水分解させたのち、反応を抑制した状態で、更に2時間室温で攪拌した。続いて、メタノールを用いて、ゲルろ過により、目的物を溶離し、単離精製した。1H−NMR装置と、MALDI−MS質量分析装置(Bruker Daltonics社製 Autoflex)とにより構造解析を行い、式(2)の化合物の構造を確認した。なお、収率は92質量%であった。 Next, 90 mg of the obtained reaction product was placed in 10 mL of dichloromethane, 200 μL of trimethylsilane iodide was added dropwise, and the mixture was stirred for 5 hours at room temperature. Then, after adding methanol and making it hydrolyze, it stirred at room temperature for 2 hours in the state which suppressed reaction. Subsequently, the desired product was eluted and purified by gel filtration using methanol. Structural analysis was performed using a 1 H-NMR apparatus and a MALDI-MS mass spectrometer (Autoflex manufactured by Bruker Daltonics) to confirm the structure of the compound of formula (2). The yield was 92% by mass.
[実施例1]
透明導電膜(TCO)付ガラス基板に、n型半導体である酸化チタン(TiO2)のナノ粒子(平均粒径20nm)を含有するチタニアペーストをスクリーン印刷法で塗工した。塗膜を150℃で乾燥し、さらに450℃で30分間の加熱により焼成して、ナノ粒子のチタニア層を形成させた。さらにその上に、n型半導体であるチタニア粒子(平均粒径400nm)から構成される多孔質半導体層(チタニア層)を同様な工法で積層して、チタニア電極を形成させた。アセトニトリルとt−ブタノールの混合溶媒(体積比50%)に、有機色素を溶解した溶液(濃度:0.3mM)を調製し、この溶液に、上記チタニア電極を浸漬した。有機色素としては式(1)に示す、インドリン骨格とシアノリン酸基とを有する化合物を用いた。この色素を含む溶液に浸漬したあと、アセトニトリルで洗浄して、色素が吸着した光電極を得た。
[Example 1]
A titania paste containing nanoparticles (
塩化白金酸のアルコール溶液をTCO膜付ガラス基板に塗布し、塗膜を400℃で焼成して、白金ナノ粒子(粒子径:数nm)から形成された透明な対向電極(対極)を作製した。得られた対極と上記チタニア電極とを対向配置し、シール材(熱可塑性ポリオレフィン系樹脂)を介してこれらを貼り合せた。光電極と対極の間に注入孔から電解液を注入し、注入孔をシールした。電解液としては、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウムヨージド(PMII)を65体積%と、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムイオン(EMI)とビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドイオン(TFSI)とからなるイオン性液体を35体積%とを均質に混合したものを作製し、これに電荷を有する添加剤としてグアニジンチオシアネート(GuSCN)を0.5mol/%、4−tert−ブチルピリジン(4TBP)を混合したものを用いた。得られたセルを実施例1のセルとした。 An alcohol solution of chloroplatinic acid was applied to a glass substrate with a TCO film, and the coating film was baked at 400 ° C. to produce a transparent counter electrode (counter electrode) formed from platinum nanoparticles (particle diameter: several nm). . The obtained counter electrode and the titania electrode were arranged opposite to each other, and these were bonded together via a sealing material (thermoplastic polyolefin resin). An electrolyte was injected from the injection hole between the photoelectrode and the counter electrode, and the injection hole was sealed. As an electrolytic solution, 65% by volume of 1-propyl-3-methylimidazolium iodide (PMII), 1-ethyl-3-methylimidazolium ion (EMI), bis (trifluoromethanesulfonyl) imide ion (TFSI), An ionic liquid consisting of 35% by volume is homogeneously mixed, and guanidine thiocyanate (GuSCN) is added at 0.5 mol /%, and 4-tert-butylpyridine (4TBP) is added as an additive having an electric charge. A mixture was used. The obtained cell was designated as the cell of Example 1.
[比較例1]
有機色素として、シアノリン酸基に代えてシアノカルボン酸基をアンカー基とした次式(5)の化合物を用いた以外は、実施例1と同様としたものを比較例1とした。
[Comparative Example 1]
Comparative Example 1 was the same as Example 1 except that the organic dye was a compound of the following formula (5) having a cyanocarboxylic acid group as an anchor group instead of a cyanophosphoric acid group.
(光電変換効率の測定;耐久性評価試験)
500Wのキセノンランプを搭載したAM1.5Gソーラシミュレータ(WXS−85−H、ワコム電創社製)とIVテスター(IV−9701、ワコム電創社製)を使い、実施例1及び比較例1の色素増感型太陽電池の電流(I)−電圧(V)特性(IV特性)を計測し、光電変換効率を測定した。測定は、1sun60℃で100日間行った。
(Measurement of photoelectric conversion efficiency; durability evaluation test)
Using an AM1.5G solar simulator (WXS-85-H, manufactured by Wacom Denso) equipped with a 500 W xenon lamp and an IV tester (IV-9701, manufactured by Wacom Denso), Example 1 and Comparative Example 1 The current (I) -voltage (V) characteristic (IV characteristic) of the dye-sensitized solar cell was measured, and the photoelectric conversion efficiency was measured. The measurement was performed at 1 sun 60 ° C. for 100 days.
(85℃暗所熱耐久試験)
作製したセルを85℃の暗所状態で、連続加熱した状態を保ち、各測定時間に、室温で上記光電変換効率を測定した。
(85 ° C dark heat durability test)
The produced cell was kept in a dark place at 85 ° C., and the photoelectric conversion efficiency was measured at room temperature for each measurement time.
(有機溶媒及びイオン性液体と、有機色素との吸光度)
実施例1の有機色素を様々な溶媒にとかし、光吸収スペクトルを検討した。ここでは、溶媒を、メトキシプロピルニトリル(MPN)、ガンマブチロラクトン(GBL)、アセトニトリル(AcCN)及びイミダゾリウム塩(EMI)とし、有機色素を溶解させた溶液をセルに入れて吸収スペクトルを測定した。吸収スペクトルは、分光光度計(日立製作所社製U−3400)により、290nm〜900nmの波長領域で測定した。また、実施例1及び比較例1の有機色素の光吸収スペクトルを検討した。ここでは、溶媒をイミダゾリウム塩とし、有機色素を溶解させた溶液をセルに入れて吸収スペクトルを測定した。吸収スペクトルは、300nm〜550nmの波長領域で測定した。
(Absorbance between organic solvent and ionic liquid and organic dye)
The organic dye of Example 1 was dissolved in various solvents, and the light absorption spectrum was examined. Here, the solvent was methoxypropyl nitrile (MPN), gamma butyrolactone (GBL), acetonitrile (AcCN), and imidazolium salt (EMI), and a solution in which an organic dye was dissolved was placed in a cell, and an absorption spectrum was measured. The absorption spectrum was measured with a spectrophotometer (U-3400 manufactured by Hitachi, Ltd.) in a wavelength region of 290 nm to 900 nm. Moreover, the light absorption spectrum of the organic pigment | dye of Example 1 and Comparative Example 1 was examined. Here, an absorption spectrum was measured by putting a solution in which an imidazolium salt was used as a solvent and an organic dye was dissolved into a cell. The absorption spectrum was measured in a wavelength region of 300 nm to 550 nm.
(測定結果と考察)
図6は、実施例1及び比較例1の1sun60℃での耐久試験評価結果である。図6では、時間に対する、初期の発電効率を1.0とする保持率(%)を示した。1sun60℃の条件下では、カルボン酸、リン酸のいずれをアンカー基とする有機色素であっても、耐久性に大きな違いは見られなかった。図7は、実施例1及び比較例1の85℃暗所熱耐久試験の評価結果である。図7では、時間に対する、初期の発電効率を1.0とする保持率(%)を示した。85℃の高温条件下では、実施例1のリン酸をアンカー基とする有機色素の方が、耐久性は高かった。したがって、85℃を下回る条件下においても、長時間発電を実行するものとすれば、比較例1に比して、実施例1のセルの方が耐久性は高いものと推察された。図8は、有機溶媒及びイオン性液体と有機色素を含む溶液との吸収スペクトルの測定結果である。図8に示すように、リン酸をアンカー基とする有機色素(D131P)は、有機溶媒では、吸光度が高いため、溶けやすく、イオン性液体(イミダゾリウム塩)では、吸光度が低いため、溶けにくいことがわかった。このように、n型半導体層からの溶解による有機色素の減少が、色素増感型太陽電池の劣化の原因の一つであることがわかった。
(Measurement results and discussion)
6 shows the results of durability test evaluation at 1 sun 60 ° C. in Example 1 and Comparative Example 1. FIG. FIG. 6 shows the retention rate (%) with respect to time, where the initial power generation efficiency is 1.0. Under the condition of 1 sun 60 ° C., no great difference in durability was observed for organic dyes having either carboxylic acid or phosphoric acid as an anchor group. FIG. 7 shows the evaluation results of the 85 ° C. dark heat durability test of Example 1 and Comparative Example 1. FIG. 7 shows the retention rate (%) with respect to time, where the initial power generation efficiency is 1.0. Under a high temperature condition of 85 ° C., the organic dye having phosphoric acid as an anchor group in Example 1 had higher durability. Therefore, it was assumed that the durability of the cell of Example 1 was higher than that of Comparative Example 1 if power generation was performed for a long time even under conditions below 85 ° C. FIG. 8 shows the results of measurement of absorption spectra of a solution containing an organic solvent, an ionic liquid, and an organic dye. As shown in FIG. 8, the organic dye (D131P) having phosphoric acid as an anchor group has high absorbance in an organic solvent, and thus easily dissolves. In an ionic liquid (imidazolium salt), the absorbance is low and thus hardly soluble. I understood it. Thus, it was found that the reduction of organic dye due to dissolution from the n-type semiconductor layer is one of the causes of deterioration of the dye-sensitized solar cell.
図9は、実施例1及び比較例1の有機色素の光吸収スペクトルの測定結果である。実施例1の有機色素では、比較例1の有機色素に比して、短波長化していることがわかった。比較例1の有機色素は、橙色を示したが、この実施例1の有機色素は、鮮やかな黄色であった。したがって、本願発明の有機色素を用いると、太陽電池パネルのカラーバリエーションの多様性に寄与することができることがわかった。 FIG. 9 shows measurement results of light absorption spectra of the organic dyes of Example 1 and Comparative Example 1. The organic dye of Example 1 was found to have a shorter wavelength than the organic dye of Comparative Example 1. The organic dye of Comparative Example 1 showed an orange color, but the organic dye of Example 1 was bright yellow. Therefore, it was found that the use of the organic dye of the present invention can contribute to the diversity of color variations of the solar cell panel.
本発明は、太陽電池の技術分野に利用可能である。 The present invention can be used in the technical field of solar cells.
10 色素増感型太陽電池モジュール、11 透明基板、12 透明導電膜、13 受光面、14 透明導電性基板、15 受光面、16,17 集電電極、18 溝、20 光電極、21 接続部、23 受光面、24 多孔質半導体層、25 裏面、26 電解質層、27 裏面、30 対極、32 シール材、34 保護部材、40 色素増感型太陽電池。 10 Dye-sensitized solar cell module, 11 Transparent substrate, 12 Transparent conductive film, 13 Light receiving surface, 14 Transparent conductive substrate, 15 Light receiving surface, 16, 17 Current collecting electrode, 18 Groove, 20 Photo electrode, 21 Connection portion, 23 Photosensitive surface, 24 Porous semiconductor layer, 25 Back surface, 26 Electrolyte layer, 27 Back surface, 30 Counter electrode, 32 Sealing material, 34 Protection member, 40 Dye-sensitized solar cell.
Claims (9)
前記有機色素は、シアノリン酸基をアンカー基として有しており、
前記電解液は、イオン性液体を含む、色素増感型太陽電池。 A photoelectrode provided with a semiconductor layer containing an organic dye on a transparent conductive substrate, a counter electrode disposed so as to face the photoelectrode, and an electrolyte layer containing an electrolytic solution interposed between the photoelectrode and the counter electrode And comprising
The organic dye has a cyanophosphate group as an anchor group,
The electrolyte solution is a dye-sensitized solar cell including an ionic liquid.
(b)前記工程(a)での反応物をジクロロメタン中でアルコールにより加水分解を行い、シアノリン酸基とインドリン骨格とを有する有機色素を生成する工程と、
を含む有機色素の製造方法。 (A) introducing a phosphate ester group into a compound having an indoline skeleton and an aldehyde group in acetonitrile;
(B) a step of hydrolyzing the reaction product in the step (a) with an alcohol in dichloromethane to produce an organic dye having a cyanophosphate group and an indoline skeleton;
The manufacturing method of the organic pigment | dye containing this.
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