JP2015013928A - Dye and dye-sensitized solar cell using the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal complex dye having new structure and sensitivity in a wide range of light and excellent in stability, and a dye-sensitized solar cell and the like using the dye.SOLUTION: There is provided the metal complex dye expressed by the general formula (1)ML1L2. [In the formula, M is a chemical element of 8-10 group on a periodic table, Lis a ligand of a 4,4',4"-trimethoxy-carbonyl-2,2':6',2"-terpyridine and the like, Lis a ligand expressed by following formula (3).(In the formula, Zis an atomic group forming a nitrogen-containing aromatic ring, and Zis an atomic group forming an aromatic ring.)]

Description

本発明は、太陽光エネルギーを効率よく光吸収する色素、及びそれを用いた太陽電池に関するものである。   The present invention relates to a dye that efficiently absorbs solar energy and a solar cell using the same.

太陽光を効率よく電気に変換できる太陽電池はエネルギー・環境問題の観点から注目されている。実用化されている太陽電池は主にシリコンを用いるものであるが、これらの太陽電池は製造コストが高く、今後の普及に大きな問題を抱えている。従って、シリコン系太陽電池に変わる新しいタイプの太陽電池の研究が進められており、その1つとして色素増感太陽電池がある(特許文献1)。色素増感太陽電池は、資源的制約が少ないこと、製造コストが比較的低いことなどの利点があり、その普及が期待されている。しかしながら、エネルギー変換効率や耐久性等の面でシリコン系太陽電池に劣っており、実用化に向けたこれらの性能の向上が検討されている。   Solar cells that can efficiently convert sunlight into electricity are attracting attention from the viewpoint of energy and environmental issues. Solar cells that are put into practical use mainly use silicon, but these solar cells are expensive to manufacture and have a great problem in their future spread. Therefore, research on a new type of solar cell that replaces a silicon-based solar cell has been advanced, and one of them is a dye-sensitized solar cell (Patent Document 1). Dye-sensitized solar cells have advantages such as less resource constraints and relatively low manufacturing costs, and are expected to be widely used. However, it is inferior to silicon-based solar cells in terms of energy conversion efficiency and durability, and improvements in these performances for practical use are being studied.

色素増感太陽電池においては、ルテニウム−ポリピリジン錯体が色素に用いられることが多く、発電効率や耐久性は色素に大きく依存することが知られている。特にエネルギー変換効率が高いものとして、2,2’−ビピリジン誘導体や2,2’:6’,2”−テルピリジン誘導体を配位子として有するルテニウム−イソチオシアナト錯体が良く知られている(非特許文献1、及び非特許文献2)。   In dye-sensitized solar cells, a ruthenium-polypyridine complex is often used as a dye, and it is known that power generation efficiency and durability greatly depend on the dye. Ruthenium-isothiocyanato complexes having a 2,2′-bipyridine derivative or a 2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine derivative as a ligand are well known as those having particularly high energy conversion efficiency (non-patent literature). 1, and non-patent document 2).

色素増感太陽電池の実用化のためには、変換効率、及び耐久性等の更なる向上が重要な研究課題となってくる。そのためには増感色素として用いられるルテニウム錯体などの化合物についても、性能の向上、ならびに光、熱に対する安定性が求められる。エネルギー変換効率を向上するためには、可視光領域だけでなく赤外光領域までの幅広い領域の光を効率よく光電変換することができる増感色素の開発が必要と言える。また、安定性においては、前述のポリピリジン配位子を有するルテニウム−イソチオシアナト錯体について見ると、熱や光の刺激による単座配位子のイソチオシアナトの解離もしくは異性化反応の進行の可能性が指摘されている。これらの解離や異性化反応は、金属錯体色素の安定性を低下させるだけでなく電池の性能も低下するため、安定性の向上を目的とした単座配位子を含まない金属錯体色素の開発が必要である。   For practical application of dye-sensitized solar cells, further improvement in conversion efficiency, durability and the like becomes an important research subject. For this purpose, a compound such as a ruthenium complex used as a sensitizing dye is also required to have improved performance and stability to light and heat. In order to improve the energy conversion efficiency, it can be said that it is necessary to develop a sensitizing dye capable of efficiently photoelectrically converting light in a wide range from the visible light region to the infrared light region. In terms of stability, the ruthenium-isothiocyanato complex having the polypyridine ligand mentioned above pointed out the possibility of dissociation or isomerization of the monodentate ligand isothiocyanate by stimulation of heat or light. Yes. These dissociation and isomerization reactions not only reduce the stability of metal complex dyes, but also reduce battery performance. Therefore, the development of metal complex dyes that do not contain monodentate ligands for the purpose of improving stability is necessary.

そのような単座配位子を含まない金属錯体色素として、例えば非特許文献3、及び4には下記式(4)、及び(5)で表されるルテニウム錯体が報告されている。この化合物を、「化合物1」、及び「化合物2」という。化合物1、及び2を組み込んだ色素増感太陽電池は比較的高い変換効率を有するが、光電変換が可能な領域は800nmまでであり、近赤外光を有効に利用できていない。従って、このようなタイプの増感色素においても、エネルギー変換効率を大幅に向上するために光電変換が可能な領域を長波長側に広げ、可視光領域だけでなく近赤外光領域の光を有効に利用することが期待されている。

Figure 2015013928
As such a metal complex dye not containing a monodentate ligand, for example, Non-Patent Documents 3 and 4 report ruthenium complexes represented by the following formulas (4) and (5). This compound is referred to as “compound 1” and “compound 2”. Although the dye-sensitized solar cell incorporating the compounds 1 and 2 has a relatively high conversion efficiency, the region where photoelectric conversion is possible is up to 800 nm, and near infrared light cannot be effectively used. Therefore, even in this type of sensitizing dye, in order to greatly improve the energy conversion efficiency, the region where photoelectric conversion is possible is extended to the long wavelength side, and light in the near infrared region as well as the visible light region is expanded. It is expected to be used effectively.
Figure 2015013928

特許第2664194号公報Japanese Patent No. 2664194

J. Am. Chem. Soc. 1993, 115,6382-6390J. Am. Chem. Soc. 1993, 115,6382-6390 J. Am. Chem. Soc. 2001, 123,1613-1624J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 1613-1624 J. Am. Chem. Soc. 2009, 131,5930-5934J. Am. Chem. Soc. 2009, 131,5930-5934 Angew. Chem. Int. Ed. 2011,50, 2054-2058Angew. Chem. Int. Ed. 2011,50, 2054-2058

本発明は、従来の技術における上記した状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、幅広い領域の光に感度を有し、かつ安定性に優れた新規構造の金属錯体色素を提供し、さらにはこの金属錯体色素を用いた良好な色素増感酸化物半導体電極および色素増感太陽電池を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above-described situation in the prior art, and its object is to provide a metal complex dye having a novel structure that is sensitive to a wide range of light and excellent in stability, Furthermore, it aims at providing the favorable dye-sensitized oxide semiconductor electrode and dye-sensitized solar cell using this metal complex dye.

本発明は、一般式(1)

Figure 2015013928
[式中、Mは周期律表上の8から10族の元素であって、L1は下記一般式(2)で表される配位子であり、L2は下記一般式(3)で表される配位子であり、一般式(2)は、
Figure 2015013928
(式中、A1〜A3はそれぞれ独立にカルボキシ基、スルホン酸基、リン酸基、若しくはホウ酸基、又はこれらの塩に相当する基であり、R1〜R3はそれぞれ独立に置換基であり、m1〜m3はそれぞれ独立に0〜3の整数であり(ただしm1〜m3はすべて同時に0になることはない。)、n1〜n3はそれぞれ独立に0〜3の整数である。ただしm1+n1≦4であり、m2+n2≦3であり、m3+n3≦4である。)で表記され、 一般式(3)は、
Figure 2015013928
(式中、Z1は含窒素芳香環を形成する原子群であり、Z2は芳香環を形成する原子群である。)で表記される。]で表される金属錯体色素である。
また、本発明では、Mをルテニウムとすることができる。
さらに、本発明は、金属錯体色素が酸化物半導体に吸着されてなる色素増感金属酸化物半導体電極である。
さらにまた、本発明は、導電性支持体上に形成された色素増感金属酸化物半導体電極と、その対極、及びそれらの電極に接触するレドックス電解質とを備える色素増感太陽電池である。 The present invention relates to a general formula (1)
Figure 2015013928
[Wherein M is a group 8 to 10 element on the periodic table, L 1 is a ligand represented by the following general formula (2), and L 2 is a general formula (3) A ligand represented by the general formula (2):
Figure 2015013928
(In the formula, A 1 to A 3 are each independently a carboxy group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a boric acid group, or a group corresponding to a salt thereof, and R 1 to R 3 are each independently substituted. M1 to m3 are each independently an integer of 0 to 3 (however, m1 to m3 are not all 0 at the same time), and n1 to n3 are each independently an integer of 0 to 3. However, m1 + n1 ≦ 4, m2 + n2 ≦ 3, and m3 + n3 ≦ 4.) General formula (3) is
Figure 2015013928
(Wherein Z 1 is an atomic group forming a nitrogen-containing aromatic ring, and Z 2 is an atomic group forming an aromatic ring). ] The metal complex dye represented by this.
In the present invention, M can be ruthenium.
Furthermore, the present invention is a dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode in which a metal complex dye is adsorbed on an oxide semiconductor.
Furthermore, this invention is a dye-sensitized solar cell provided with the dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode formed on the electroconductive support body, its counter electrode, and the redox electrolyte which contacts these electrodes.

本発明の金属錯体色素によれば、1000nm程度までの波長の近赤外光を含む幅広い領域の光に感度を有し、効率よく電流を取出すことができ、かつ安定性に優れた金属錯体色素を得ることができる。また、これを用いた色素増感金属酸化物半導体電極および色素増感太陽電池は、良好な変換効率を達成することができる。   According to the metal complex dye of the present invention, the metal complex dye has sensitivity to a wide range of light including near infrared light having a wavelength of up to about 1000 nm, can efficiently extract current, and has excellent stability. Can be obtained. Moreover, the dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode and dye-sensitized solar cell using this can achieve favorable conversion efficiency.

本発明の色素は、色素増感太陽電池の金属酸化物半導体を修飾する増感剤として用いることが出来る。本発明の色素増感太陽電池においては、対極としては白金電極などの周知の電極が用いられる。これらの電極に接触するレドックス電解質も、周知のものを用いることが出来る。
本発明の金属錯体色素は、
一般式(1)

Figure 2015013928
[式中、Mは周期律表上の8から10族の元素であって、L1は下記一般式(2)で表される配位子であり、L2は下記一般式(3)で表される配位子であり、一般式(2)は、
Figure 2015013928
(式中、A1〜A3はそれぞれ独立にカルボキシ基、スルホン酸基、リン酸基、若しくはホウ酸基、又はこれらの塩に相当する基であり、R1〜R3はそれぞれ独立に置換基であり、m1〜m3はそれぞれ独立に0〜3の整数であり(ただしm1〜m3はすべて同時に0になることはない。)、n1〜n3はそれぞれ独立に0〜3の整数である。ただしm1+n1≦4であり、m2+n2≦3であり、m3+n3≦4である。)で表記され、 一般式(3)は、
Figure 2015013928
(式中、Z1は含窒素芳香環を形成する原子群であり、Z2は芳香環を形成する原子群である。)で表記される。]で表される金属錯体色素であって、種々の錯体となることができる。 The dye of the present invention can be used as a sensitizer for modifying a metal oxide semiconductor of a dye-sensitized solar cell. In the dye-sensitized solar cell of the present invention, a well-known electrode such as a platinum electrode is used as the counter electrode. A well-known redox electrolyte in contact with these electrodes can also be used.
The metal complex dye of the present invention is
General formula (1)
Figure 2015013928
[Wherein M is a group 8 to 10 element on the periodic table, L 1 is a ligand represented by the following general formula (2), and L 2 is a general formula (3) A ligand represented by the general formula (2):
Figure 2015013928
(In the formula, A 1 to A 3 are each independently a carboxy group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a boric acid group, or a group corresponding to a salt thereof, and R 1 to R 3 are each independently substituted. M1 to m3 are each independently an integer of 0 to 3 (however, m1 to m3 are not all 0 at the same time), and n1 to n3 are each independently an integer of 0 to 3. However, m1 + n1 ≦ 4, m2 + n2 ≦ 3, and m3 + n3 ≦ 4.) General formula (3) is
Figure 2015013928
(Wherein Z 1 is an atomic group forming a nitrogen-containing aromatic ring, and Z 2 is an atomic group forming an aromatic ring). It is a metal complex pigment | dye represented by this, Comprising: It can become a various complex.

上記式(1)におけるMは、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、白金等を挙げることが出来るが、これらのうちルテニウムがとくに好ましい。
上記式(2)におけるA1、A2、及びA3はそれぞれ独立にカルボキシ基、スルホン酸基、リン酸基、若しくはホウ酸基、又はこれらの塩に相当する基であるが、これらのうちカルボキシ基又はその塩であることが好ましい。
A1、A2、又はA3が塩である場合、対カチオンとしてはアンモニウムイオン、ジメチルアンモニウムイオン、ジエチルアンモニウムイオン、テトラメチルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラプロピルアンモニウムイオン、テトラブチルアンモニウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン等を挙げることが出来、好ましくはテトラブチルアンモニウムイオンである。
上記式(2)におけるR1、R2、及びR3は置換基であるが、置換基として好ましくは、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アミノ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アシル基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、アシルオキシ基、アシルアミノ基、アルコキシカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、スルホニルアミノ基、スルファモイル基、カルバモイル基、アルキルチオ基、アリールチオ基、スルホニル基、ハロゲン原子、シアノ基、ヘテロ環基などが挙げられる。
Examples of M in the above formula (1) include iron, cobalt, nickel, ruthenium, osmium, iridium, and platinum. Of these, ruthenium is particularly preferable.
A 1 , A 2 and A 3 in the above formula (2) are each independently a carboxy group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a boric acid group, or a group corresponding to a salt thereof. It is preferably a carboxy group or a salt thereof.
When A 1 , A 2 , or A 3 is a salt, the counter cation is ammonium ion, dimethyl ammonium ion, diethyl ammonium ion, tetramethyl ammonium ion, tetraethyl ammonium ion, tetrapropyl ammonium ion, tetrabutyl ammonium ion, sodium An ion, a potassium ion, etc. can be mentioned, Preferably it is a tetrabutyl ammonium ion.
R 1 , R 2 , and R 3 in the above formula (2) are substituents, and the substituent is preferably an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, an amino group, an alkoxy group, an aryloxy group, Acyl group, alkoxycarbonyl group, aryloxycarbonyl group, acyloxy group, acylamino group, alkoxycarbonylamino group, aryloxycarbonylamino group, sulfonylamino group, sulfamoyl group, carbamoyl group, alkylthio group, arylthio group, sulfonyl group, halogen atom , A cyano group, a heterocyclic group, and the like.

このような本発明におけるL1の具体的な構造としては、例えば下記式(6)〜(8)で表される配位子を挙げることが出来る。

Figure 2015013928
Specific examples of the structure of L 1 in the present invention include ligands represented by the following formulas (6) to (8).
Figure 2015013928

上記式(3)において、Z1 は含窒素芳香環を形成する原子群を表し、Z1が形成する含窒素芳香環は好ましくは4〜10員環、より好ましくは5〜6員環である。その含窒素芳香環は好ましくは炭素数2〜30、より好ましくは炭素数4〜10である。Z1とZ2が結合して縮環構造を取っても良い。Z1で形成される含窒素芳香環としては、例えばピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、キノリン、イソキノリン、キノキサリン、イミダゾール、ピラゾール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、ベンゾイミダゾール、ベンゾチアゾール、ベンゾオキサゾール、トリアゾール、オキサジアゾール、チアジアゾールなどが挙げられる。
Zで形成される環は、置換基を有しても良く、置換基として好ましくは、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アミノ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アシル基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、アシルオキシ基、アシルアミノ基、アルコキシカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、スルホニルアミノ基、スルファモイル基、カルバモイル基、アルキルチオ基、アリールチオ基、スルホニル基、ハロゲン原子、シアノ基、ヘテロ環基などが挙げられる。
Z2は芳香環を形成する原子群を表す。Z2が形成する芳香環は、好ましくは4〜10員環、より好ましくは5〜6員環である。Z2で形成される芳香族環は芳香族炭化水素、芳香族ヘテロ環のいずれでもよく、例えばベンゼン、ナフタレン、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、ピロール、チオフェン、フラン、イミダゾール、ピラゾール、チアゾール、イソチアゾール、オキサゾール、イソオキサゾールなどが挙げられる。
Z2は置換基を有していても良く、置換基としては前記Z1で説明した基が挙げられる。
In the above formula (3), Z 1 represents an atomic group forming a nitrogen-containing aromatic ring, and the nitrogen-containing aromatic ring formed by Z 1 is preferably a 4- to 10-membered ring, more preferably a 5- to 6-membered ring. . The nitrogen-containing aromatic ring preferably has 2 to 30 carbon atoms, more preferably 4 to 10 carbon atoms. Z 1 and Z 2 may be bonded to form a condensed ring structure. Examples of the nitrogen-containing aromatic ring formed by Z 1 include pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, quinoline, isoquinoline, quinoxaline, imidazole, pyrazole, thiazole, isothiazole, oxazole, isoxazole, benzimidazole, benzothiazole, and benzoxazole. , Triazole, oxadiazole, thiadiazole and the like.
The ring formed by Z 1 may have a substituent, and the substituent is preferably an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, an amino group, an alkoxy group, an aryloxy group, an acyl group, an alkoxy group. Carbonyl group, aryloxycarbonyl group, acyloxy group, acylamino group, alkoxycarbonylamino group, aryloxycarbonylamino group, sulfonylamino group, sulfamoyl group, carbamoyl group, alkylthio group, arylthio group, sulfonyl group, halogen atom, cyano group, And heterocyclic groups.
Z 2 represents an atomic group forming an aromatic ring. The aromatic ring formed by Z 2 is preferably a 4-10 membered ring, more preferably a 5-6 membered ring. The aromatic ring formed by Z 2 may be either an aromatic hydrocarbon or an aromatic heterocycle, such as benzene, naphthalene, pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, pyrrole, thiophene, furan, imidazole, pyrazole, thiazole, iso Examples include thiazole, oxazole, isoxazole and the like.
Z 2 may have a substituent, and examples of the substituent include the groups described above for Z 1 .

このような本発明におけるL2の好ましい例としては、例えば、下記式(9)〜(22)で表される配位子を挙げることが出来る。

Figure 2015013928
Preferable examples of L 2 in the present invention include, for example, ligands represented by the following formulas (9) to (22).
Figure 2015013928

本発明の色素の具体例として、例えば、下記式(23)〜(26)で表されるものを挙げることが出来る。

Figure 2015013928
Specific examples of the dye of the present invention include those represented by the following formulas (23) to (26).
Figure 2015013928

本発明の金属錯体色素の製造方法は、例えば、4,4’,4”−トリメトキシカルボニル−2,2’:6’,2”−テルピリジン(L3)とルテニウム三塩化物を予め反応させて骨格となる[RuL3Cl3]錯体を合成し、これにL2を導入することにより得ることができる。[RuL3Cl3]錯体は公知の物質であり、例えばJ. Am. Chem. Soc. 123 (2001) 1613を参照して合成することができる。 The method for producing a metal complex dye of the present invention includes, for example, reacting 4,4 ′, 4 ″ -trimethoxycarbonyl-2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine (L 3 ) with ruthenium trichloride in advance. Then, a [RuL 3 Cl 3 ] complex to be a skeleton is synthesized, and L 2 is introduced into the complex. The [RuL 3 Cl 3 ] complex is a known substance and can be synthesized with reference to, for example, J. Am. Chem. Soc. 123 (2001) 1613.

目的の金属錯体色素は、[RuL3Cl3]錯体、L2、塩化リチウム、トリエチルアミンをジメチルホルムアミドと純水に溶解し、マイクロ波合成装置を用いて加熱還流する。この反応混合物を冷却し、溶媒を除去した固体生成物を、カラムクロマトグラフィーで精製することで目的の金属錯体色素を得ることができる。 The target metal complex dye is a [RuL 3 Cl 3 ] complex, L 2 , lithium chloride, and triethylamine dissolved in dimethylformamide and pure water, and heated to reflux using a microwave synthesizer. The target metal complex dye can be obtained by cooling the reaction mixture and purifying the solid product from which the solvent has been removed by column chromatography.

本発明の金属錯体色素を用いた本発明の色素増感太陽電池は、導電性支持体上に形成された色素増感金属酸化物半導体電極、電解質、対極が順次積層されて構成され、当該色素増感金属酸化物半導体電極には、本発明の金属錯体色素が化学吸着されている。
導電性支持体としては、金属もしくは表面に導電層を有するガラス又はプラスチック等を好適に用いることができる。導電層としては、金、白金、銀、銅、インジウム等の金属、導電性カーボン、又はインジウム錫複合化合物、酸化錫にフッ素をドープしたもの等が挙げられる。これらの導電材料を用いて、常法により支持体表面に導電層を形成することができる。また、導電性支持体を受光面とする場合は透明であることが好ましい。
The dye-sensitized solar cell of the present invention using the metal complex dye of the present invention comprises a dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode formed on a conductive support, an electrolyte, and a counter electrode, which are sequentially laminated. The metal complex dye of the present invention is chemisorbed on the sensitized metal oxide semiconductor electrode.
As the conductive support, a metal or glass or plastic having a conductive layer on the surface can be suitably used. Examples of the conductive layer include metals such as gold, platinum, silver, copper, and indium, conductive carbon, indium tin composite compounds, tin oxide doped with fluorine, and the like. Using these conductive materials, a conductive layer can be formed on the support surface by a conventional method. Further, when the conductive support is a light receiving surface, it is preferably transparent.

酸化物半導体電極を構成する材料としては、例えば酸化チタン、酸化ニオブ、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化タングステン、酸化インジウム等を挙げることができる。これらのうち好ましくは酸化チタン、酸化ニオブ、酸化スズであり、特に好ましくは酸化チタンである。酸化物半導体電極の形成方法は問わないが、例えば、酸化物半導体電極となるべき酸化物の微粒子を形成し、これを適当な溶媒に懸濁させて透明導電性ガラスの上に塗布し、溶媒を除去した後に加熱する方法により製造することができる。   Examples of the material constituting the oxide semiconductor electrode include titanium oxide, niobium oxide, zinc oxide, tin oxide, tungsten oxide, and indium oxide. Of these, titanium oxide, niobium oxide and tin oxide are preferable, and titanium oxide is particularly preferable. There is no limitation on the method of forming the oxide semiconductor electrode. For example, fine particles of oxide to be an oxide semiconductor electrode are formed, suspended in a suitable solvent, and applied onto transparent conductive glass. It can manufacture by the method of heating, after removing.

酸化物薄膜電極に本発明の色素を化学吸着させる方法としては、特に限定されず、公知の方法を採用することができる。例えば、上記の方法により得られた酸化物半導体電極を、本発明の金属錯体色素を含有する溶液に浸漬して行うことができる。ここで使用する溶媒は、金属錯体色素を溶解するものであれば良く、好ましくはメタノール、エタノール、ブタノール、アセトニトリル、アセトン、ジエチルエーテル、及びそれらを組み合わせた混合溶媒である。金属錯体色素溶液の濃度としては、1x10-4〜1x10-2モル/リットルとすることが好ましい。浸漬時間としては、使用する金属錯体色素、溶媒の種類、溶液の濃度等に応じて適宣調整することができる。浸漬時間は0.5〜50時間が好ましく、2〜25時間が更に好ましい。浸漬の際の温度としては、0〜100℃であることが好ましく、10〜50℃が更に好ましい。 The method for chemically adsorbing the dye of the present invention to the oxide thin film electrode is not particularly limited, and a known method can be employed. For example, the oxide semiconductor electrode obtained by the above method can be immersed in a solution containing the metal complex dye of the present invention. The solvent used here is not particularly limited as long as it dissolves the metal complex dye, and is preferably methanol, ethanol, butanol, acetonitrile, acetone, diethyl ether, or a mixed solvent in which they are combined. The concentration of the metal complex dye solution is preferably 1 × 10 −4 to 1 × 10 −2 mol / liter. The immersion time can be appropriately adjusted according to the metal complex dye used, the type of solvent, the concentration of the solution, and the like. The immersion time is preferably 0.5 to 50 hours, more preferably 2 to 25 hours. As temperature at the time of immersion, it is preferable that it is 0-100 degreeC, and 10-50 degreeC is still more preferable.

電解質としては、電子、ホール、イオンを輸送できる導電性材料から構成される。導電性材料の中でもイオン導電体が好ましく、レドックス系を含有する溶液もしくは固体又はイオン性液体を用いることができる。具体的には、レドックス系としてはI-/I3 -系、Br-/Br3 -系、Co2+/Co3+系、Fe2+/Fe3+系等があげられ、溶媒としては、アセトニトリルなどのニトリル系化合物、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系化合物等が挙げられる。また、液体電解質の添加剤としては、従来から用いられている4‐tert‐ブチルピリジンなどの含窒素芳香族化合物、或いは(1,2‐ジメチル‐3‐プロピル)イミダゾリウムアイオダイドなどのイミダゾール塩が挙げられ、これらの添加剤を0.1〜1.5モル/リットル程度の濃度で液体電解質に添加しても良い。 The electrolyte is composed of a conductive material that can transport electrons, holes, and ions. Among the conductive materials, an ionic conductor is preferable, and a solution, solid, or ionic liquid containing a redox system can be used. Specifically, redox systems include I / I 3 system, Br / Br 3 system, Co 2+ / Co 3+ system, Fe 2+ / Fe 3+ system, etc. Nitrile compounds such as acetonitrile, and carbonate compounds such as propylene carbonate. Liquid electrolyte additives include conventionally used nitrogen-containing aromatic compounds such as 4-tert-butylpyridine or imidazole salts such as (1,2-dimethyl-3-propyl) imidazolium iodide. These additives may be added to the liquid electrolyte at a concentration of about 0.1 to 1.5 mol / liter.

対極は導電性を有している限り特に制限はないが、例えば導電性支持体表面に白金を蒸着させたもの、もしくは導電性カーボンを付着させたものを好適に用いることができる。   The counter electrode is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, a material obtained by depositing platinum on the surface of a conductive support or a material obtained by attaching conductive carbon can be preferably used.

色素増感半導体電極と対極との接触を防止するために、スペーサーを用いても良い。スペーサーとしては、ポリエチレン等の高分子フィルムが挙げられる。   In order to prevent contact between the dye-sensitized semiconductor electrode and the counter electrode, a spacer may be used. Examples of the spacer include a polymer film such as polyethylene.

以下に、本発明について実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1
[RuL3Cl3]錯体(200mg) (L3は4,4’,4”−トリメトキシカルボニル−2,2’:6’,2”−テルピリジン)、6−フェニルピリジン−2−カルボン酸 (65mg)、塩化リチウム(138mg)、トリエチルアミン(0.2mL)をジメチルホルムアミドと純水に溶解後、加熱還流する。溶媒を留去後の残渣をカラムクロマトグラフィーで精製し、40mgの生成物を得た。1H-NMRとESI-MSで分析したところ、この生成物は、下記式(27)で表されるものであることがわかった。この生成物を、「化合物3」という。

Figure 2015013928
Example 1
[RuL 3 Cl 3 ] complex (200 mg) (L 3 is 4,4 ′, 4 ″ -trimethoxycarbonyl-2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine), 6-phenylpyridine-2-carboxylic acid ( 65 mg), lithium chloride (138 mg), and triethylamine (0.2 mL) are dissolved in dimethylformamide and pure water, and then heated to reflux. The residue after evaporation of the solvent was purified by column chromatography to give 40 mg of product. Analysis by 1 H-NMR and ESI-MS revealed that this product was represented by the following formula (27). This product is referred to as “Compound 3”.
Figure 2015013928

実施例2
[RuL3Cl3]錯体(200mg) (L3は4,4’,4”−トリメトキシカルボニル−2,2’:6’,2”−テルピリジン)、6−(4−トリフルオロメチルフェニル)ピリジン−2−カルボン酸 (87mg)、塩化リチウム(138mg)、トリエチルアミン(0.2mL)をジメチルホルムアミドと純水に溶解後、加熱還流する。溶媒を留去後の残渣をカラムクロマトグラフィーで精製し、19mgの生成物を得た。1H-NMRとESI-MSで分析したところ、この生成物は、下記式(28)で表されるものであることがわかった。この生成物を、「化合物4」という。

Figure 2015013928
Example 2
[RuL 3 Cl 3 ] complex (200 mg) (L 3 is 4,4 ′, 4 ″ -trimethoxycarbonyl-2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine), 6- (4-trifluoromethylphenyl) Pyridine-2-carboxylic acid (87 mg), lithium chloride (138 mg) and triethylamine (0.2 mL) are dissolved in dimethylformamide and pure water, and then heated to reflux. The residue after evaporation of the solvent was purified by column chromatography to give 19 mg of product. Analysis by 1 H-NMR and ESI-MS revealed that this product was represented by the following formula (28). This product is referred to as “Compound 4”.
Figure 2015013928

実施例3
[RuL3Cl3]錯体(200mg) (L3は4,4’,4”−トリメトキシカルボニル−2,2’:6’,2”−テルピリジン)、6−(2,4−ビストリフルオロメチルフェニル)ピリジン−2−カルボン酸 (110mg)、塩化リチウム(138mg)、トリエチルアミン(0.6mL)をジメチルホルムアミドと純水に溶解後、加熱還流する。溶媒を留去後の残渣をカラムクロマトグラフィーで精製し、36mgの生成物を得た。1H-NMRとESI-MSで分析したところ、この生成物は、下記式(29)で表されるものであることがわかった。この生成物を、「化合物5」という。

Figure 2015013928
Example 3
[RuL 3 Cl 3 ] complex (200 mg) (L 3 is 4,4 ′, 4 ″ -trimethoxycarbonyl-2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine), 6- (2,4-bistrifluoromethyl Phenyl) pyridine-2-carboxylic acid (110 mg), lithium chloride (138 mg), and triethylamine (0.6 mL) are dissolved in dimethylformamide and pure water, and then heated to reflux. The residue after evaporation of the solvent was purified by column chromatography to give 36 mg of product. Analysis by 1 H-NMR and ESI-MS revealed that this product was represented by the following formula (29). This product is referred to as “Compound 5”.
Figure 2015013928

実施例4
[RuL3Cl3]錯体(200mg) (L3は4,4’,4”−トリメトキシカルボニル−2,2’:6’,2”−テルピリジン)、6−(4−フルオロ−3−トリフルオロメチルフェニル)ピリジン−2−カルボン酸 (93mg)、塩化リチウム(138mg)、トリエチルアミン(0.6mL)をジメチルホルムアミドと純水に溶解後、加熱還流する。溶媒を留去後の残渣をカラムクロマトグラフィーで精製し、152mgの生成物を得た。1H-NMRとESI-MSで分析したところ、この生成物は、下記式(30)で表されるものであることがわかった。この生成物を、「化合物6」という。

Figure 2015013928
Example 4
[RuL 3 Cl 3 ] complex (200 mg) (L 3 is 4,4 ′, 4 ″ -trimethoxycarbonyl-2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine), 6- (4-fluoro-3-tri Fluoromethylphenyl) pyridine-2-carboxylic acid (93 mg), lithium chloride (138 mg) and triethylamine (0.6 mL) are dissolved in dimethylformamide and pure water, and then heated to reflux. The residue after evaporation of the solvent was purified by column chromatography to give 152 mg of product. Analysis by 1 H-NMR and ESI-MS revealed that this product was represented by the following formula (30). This product is referred to as “Compound 6”.
Figure 2015013928

実施例5
[RuL3Cl3]錯体(200mg) (L3は4,4’,4”−トリメトキシカルボニル−2,2’:6’,2”−テルピリジン)、6−(3−フルオロビフェニル)ピリジン−2−カルボン酸 (95mg)、塩化リチウム(138mg)、トリエチルアミン(0.6mL)をジメチルホルムアミドと純水に溶解後、加熱還流する。溶媒を留去後の残渣をカラムクロマトグラフィーで精製し、96mgの生成物を得た。1H-NMRとESI-MSで分析したところ、この生成物は、下記式(31)で表されるものであることがわかった。この生成物を、「化合物7」という。

Figure 2015013928
Example 5
[RuL 3 Cl 3 ] complex (200 mg) (L 3 is 4,4 ′, 4 ″ -trimethoxycarbonyl-2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine), 6- (3-fluorobiphenyl) pyridine- 2-Carboxylic acid (95 mg), lithium chloride (138 mg) and triethylamine (0.6 mL) are dissolved in dimethylformamide and pure water, and then heated to reflux. The residue after evaporation of the solvent was purified by column chromatography to give 96 mg of product. Analysis by 1 H-NMR and ESI-MS revealed that this product was represented by the following formula (31). This product is referred to as “Compound 7”.
Figure 2015013928

実施例6
[RuL3Cl3]錯体(100mg) (L3は4,4’,4”−トリメトキシカルボニル−2,2’:6’,2”−テルピリジン)、6−(4−アセチルフェニル)ピリジン−2−カルボン酸 (39mg)、塩化リチウム(69mg)、トリエチルアミン(0.3mL)をジメチルホルムアミドと純水に溶解後、加熱還流する。溶媒を留去後の残渣をカラムクロマトグラフィーで精製し、115mgの生成物を得た。1H-NMRとESI-MSで分析したところ、この生成物は、下記式(32)で表されるものであることがわかった。この生成物を、「化合物8」という。

Figure 2015013928
Example 6
[RuL 3 Cl 3 ] complex (100 mg) (L 3 is 4,4 ′, 4 ″ -trimethoxycarbonyl-2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine), 6- (4-acetylphenyl) pyridine- 2-Carboxylic acid (39 mg), lithium chloride (69 mg) and triethylamine (0.3 mL) are dissolved in dimethylformamide and pure water, and then heated to reflux. The residue after evaporation of the solvent was purified by column chromatography to give 115 mg of product. Analysis by 1 H-NMR and ESI-MS revealed that this product was represented by the following formula (32). This product is referred to as “Compound 8”.
Figure 2015013928

実施例7
[RuL3Cl3]錯体(200mg) (L3は4,4’,4”−トリメトキシカルボニル−2,2’:6’,2”−テルピリジン)、6−(5−アセチルチオフェン−2−イル)ピリジン−2−カルボン酸 (40mg)、塩化リチウム(69mg)、トリエチルアミン(0.3mL)をジメチルホルムアミドと純水に溶解後、加熱還流する。溶媒を留去後の残渣をカラムクロマトグラフィーで精製し、56mgの生成物を得た。1H-NMRとESI-MSで分析したところ、この生成物は、下記式(33)で表されるものであることがわかった。この生成物を、「化合物9」という。

Figure 2015013928
Example 7
[RuL 3 Cl 3 ] complex (200 mg) (L 3 is 4,4 ′, 4 ″ -trimethoxycarbonyl-2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine), 6- (5-acetylthiophene-2- Yl) Pyridine-2-carboxylic acid (40 mg), lithium chloride (69 mg) and triethylamine (0.3 mL) are dissolved in dimethylformamide and pure water, and then heated to reflux. The residue after evaporation of the solvent was purified by column chromatography to give 56 mg of product. Analysis by 1 H-NMR and ESI-MS revealed that this product was represented by the following formula (33). This product is referred to as “Compound 9”.
Figure 2015013928

実施例8
光安定性評価用の色素増感金属酸化物半導体電極の作製
金属酸化物半導体電極は、Coord. Chem. Rev. 2004, 248,
1381-1389に記載の方法に従って作製した。具体的には、ガラス表面に透明導電性支持体であるフッ素をドープした酸化錫が蒸着された透明導電性ガラスの表面に、半導体層として酸化チタン多孔質膜(膜厚が6μm、面積が6.25cm2)を形成したものを使用した。
Example 8
Preparation of dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode for photostability evaluation Metal oxide semiconductor electrode is manufactured by Coord. Chem. Rev. 2004, 248,
It was produced according to the method described in 1381-1389. Specifically, a titanium oxide porous film (film thickness: 6 μm, area: 6.25) is formed as a semiconductor layer on the surface of transparent conductive glass in which fluorine oxide doped tin oxide as a transparent conductive support is deposited on the glass surface. What formed cm < 2 >) was used.

上記方法で作製した金属酸化物半導体電極を、前記で得た化合物(2x10-4モル/リットル)のエタノールとジメチルホルムアミドの混合溶液(7:3v/v)に22時間浸漬させることにより、色素増感金属酸化物半導体電極を形成した。ルテニウム錯体色素の光安定性は、ソーラーシュミレーター(AM1.5、100mWcm-2)と紫外線カットフィルターを用いて6時間の光照射試験を行い、評価した。下記表1には、光照射前後で吸収スペクトルが変化しなかったものをA、最長波長側の吸収極大のシフトが見られたものをB、吸収スペクトルの形状に変化が見られたものをC、最長波長側の吸収極大のシフト、及びスペクトル形状に変化が見られたものをDとして、これらの評価ランクで示した。 By immersing the metal oxide semiconductor electrode produced by the above method in a mixed solution of ethanol and dimethylformamide (7: 3 v / v) of the compound obtained above (2 × 10 −4 mol / liter) for 22 hours, dye enhancement A metal oxide semiconductor electrode was formed. The light stability of the ruthenium complex dye was evaluated by performing a 6-hour light irradiation test using a solar simulator (AM1.5, 100 mWcm -2 ) and an ultraviolet cut filter. In Table 1 below, A indicates that the absorption spectrum did not change before and after the light irradiation, B indicates that the absorption maximum shift on the longest wavelength side was observed, and C indicates that the absorption spectrum was changed in shape. In this evaluation rank, D is a shift of the absorption maximum on the longest wavelength side and a change in spectral shape.

実施例9
色素増感太陽電池の作製
金属酸化物半導体電極は、上記と同様の方法に従い、ガラス表面に透明導電性支持体であるフッ素をドープした酸化錫が蒸着された透明導電性ガラスの表面に、半導体層として酸化チタン多孔質膜(膜厚が31μm、面積が0.25cm2)を形成したものを使用した。
Example 9
Preparation of dye-sensitized solar cell A metal oxide semiconductor electrode is formed on the surface of transparent conductive glass in which tin oxide doped with fluorine, which is a transparent conductive support, is deposited on the glass surface according to the same method as described above. A layer in which a porous titanium oxide film (thickness of 31 μm, area of 0.25 cm 2 ) was used as a layer was used.

上記方法で作製した金属酸化物半導体電極を、前記で得た化合物(2x10-4モル/リットル)のエタノールとジメチルホルムアミドの混合溶液(7:3v/v)に22時間浸漬させることにより、色素増感金属酸化物半導体電極を形成した。この半導体電極と導電性ガラス表面に白金を蒸着した対極との間にポリエチレンフィルムのスペーサーと電解質溶液をはさみ、色素増感太陽電池を得た。電解質溶液としては、ヨウ化リチウム(0.1モル/リットル)、ヨウ素(0.05モル/リットル)、(1,2‐ジメチル‐3‐プロピル)イミダゾリウムアイオダイド(0.6モル/リットル)、4‐tert‐ブチルピリジン(0.1モル/リットル)を含むアセトニトリル溶液を用いた。太陽電池性能はソーラーシュミレーター(AM1.5、100mWcm-2)を用いて評価した。 By immersing the metal oxide semiconductor electrode produced by the above method in a mixed solution of ethanol and dimethylformamide (7: 3 v / v) of the compound obtained above (2 × 10 −4 mol / liter) for 22 hours, dye enhancement A metal oxide semiconductor electrode was formed. A polyethylene film spacer and an electrolyte solution were sandwiched between the semiconductor electrode and a counter electrode obtained by depositing platinum on the surface of the conductive glass to obtain a dye-sensitized solar cell. Electrolyte solutions include lithium iodide (0.1 mol / liter), iodine (0.05 mol / liter), (1,2-dimethyl-3-propyl) imidazolium iodide (0.6 mol / liter), 4-tert-butyl An acetonitrile solution containing pyridine (0.1 mol / liter) was used. Solar cell performance was evaluated using a solar simulator (AM1.5, 100 mWcm -2 ).

表1に示す化合物を増感色素として用い、上記の方法により作製した電池を用いて短絡電流密度(Jsc)、開放電圧(Voc)、曲線因子(ff)、光電変換効率(η)を測定した。得られた結果を表1に示す。なお、表1には比較例として、非特許文献1、及び非特許文献2において報告されているルテニウム錯体色素であるN719色素とブラック色素について同様の評価を行った結果を併記した。N719色素、及びブラック色素については、色素増感太陽電池の作製の際に電解質溶液として、ヨウ化リチウム(0.1モル/リットル)、ヨウ素(0.05モル/リットル)、(1,2‐ジメチル‐3‐プロピル)イミダゾリウムアイオダイド(0.6モル/リットル)、4‐tert‐ブチルピリジン(0.5モル/リットル)を含むアセトニトリル溶液を用いた。   Using the compounds shown in Table 1 as sensitizing dyes, the short-circuit current density (Jsc), open-circuit voltage (Voc), fill factor (ff), and photoelectric conversion efficiency (η) were measured using the battery prepared by the above method. . The obtained results are shown in Table 1. In Table 1, as a comparative example, the results of the same evaluation for the N719 dye and the black dye, which are ruthenium complex dyes reported in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, are also shown. For N719 dye and black dye, lithium iodide (0.1 mol / liter), iodine (0.05 mol / liter), (1,2-dimethyl-3- A solution of acetonitrile containing propyl) imidazolium iodide (0.6 mol / liter) and 4-tert-butylpyridine (0.5 mol / liter) was used.

Figure 2015013928
Figure 2015013928

表1からわかるように、本発明の化合物は優れた光安定性を示した。また、本発明の化合物を増感色素として用いると、何れの場合にも可視光だけでなく1000nm程度までの波長の近赤外光も利用できることがわかった。   As can be seen from Table 1, the compounds of the present invention showed excellent light stability. It was also found that when the compound of the present invention is used as a sensitizing dye, not only visible light but also near infrared light having a wavelength of up to about 1000 nm can be used in any case.

本発明により、太陽光エネルギーを可視光領域だけでなく近赤外光領域までの広波長領域で利用でき、かつ安定性に優れた色素を用いることで、高い変換効率と耐久性をあわせ持つ色素増感太陽電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to use solar energy not only in the visible light region but also in a wide wavelength region up to the near-infrared region, and by using a pigment having excellent stability, the pigment has both high conversion efficiency and durability. A sensitized solar cell can be provided.

Claims (4)

一般式(1)
Figure 2015013928
[式中、Mは周期律表上の8から10族の元素であって、L1は下記一般式(2)で表される配位子であり、L2は下記一般式(3)で表される配位子であり、一般式(2)は、
Figure 2015013928
(式中、A1〜A3はそれぞれ独立にカルボキシ基、スルホン酸基、リン酸基、若しくはホウ酸基、又はこれらの塩に相当する基であり、R1〜R3はそれぞれ独立に置換基であり、m1〜m3はそれぞれ独立に0〜3の整数であり(ただしm1〜m3はすべて同時に0になることはない。)、n1〜n3はそれぞれ独立に0〜3の整数である。ただしm1+n1≦4であり、m2+n2≦3であり、m3+n3≦4である。)で表記され、 一般式(3)は、
Figure 2015013928
(式中、Z1は含窒素芳香環を形成する原子群であり、Z2は芳香環を形成する原子群である。)で表記される。]で表される金属錯体色素。
General formula (1)
Figure 2015013928
[Wherein M is a group 8 to 10 element on the periodic table, L 1 is a ligand represented by the following general formula (2), and L 2 is a general formula (3) A ligand represented by the general formula (2):
Figure 2015013928
(In the formula, A 1 to A 3 are each independently a carboxy group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a boric acid group, or a group corresponding to a salt thereof, and R 1 to R 3 are each independently substituted. M1 to m3 are each independently an integer of 0 to 3 (however, m1 to m3 are not all 0 at the same time), and n1 to n3 are each independently an integer of 0 to 3. However, m1 + n1 ≦ 4, m2 + n2 ≦ 3, and m3 + n3 ≦ 4.) General formula (3) is
Figure 2015013928
(Wherein Z 1 is an atomic group forming a nitrogen-containing aromatic ring, and Z 2 is an atomic group forming an aromatic ring). ] The metal complex dye represented by this.
Mがルテニウムである請求項1に記載の金属錯体色素。   The metal complex dye according to claim 1, wherein M is ruthenium. 請求項1、又は2に記載の金属錯体色素が酸化物半導体に吸着されてなる色素増感金属酸化物半導体電極。   A dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode, wherein the metal complex dye according to claim 1 or 2 is adsorbed on an oxide semiconductor. 導電性支持体上に形成された請求項3に記載の色素増感金属酸化物半導体電極と、その対極、及びそれらの電極に接触するレドックス電解質とを備える色素増感太陽電池。   A dye-sensitized solar cell comprising: the dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode according to claim 3 formed on a conductive support; a counter electrode; and a redox electrolyte in contact with the electrode.
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