JP2015088416A - Dye for dye-sensitized solar cell, semiconductor electrode, and dye-sensitized solar cell - Google Patents

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昌和 高田
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    • Y02E10/542Dye sensitized solar cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dye for a dye-sensitized solar cell which has excellent photoelectric conversion efficiency.SOLUTION: There are provided the dye represented by formula I and a dye-sensitized solar cell using the dye. (Rand Rare each a ≥13C alkyl group; R-Rare each an H atom or an alkyl group: Ris a 1-2C alkyl group having an acidic group with a pKa of less than 6; Ris a ≥4C alkyl group or a ≥7C aralkyl group; L is a divalent linking group; and n is 0 or 1)

Description

本発明は、色素増感型太陽電池用色素、半導体電極及び色素増感型太陽電池に関するものである。   The present invention relates to a dye for a dye-sensitized solar cell, a semiconductor electrode, and a dye-sensitized solar cell.

大量の化石燃料の使用で引き起こされる二酸化炭素濃度増加による地球温暖化、さらに、人口増加に伴うエネルギー需要の増大は、人類の存亡にまで関わる問題と認識されている。そのため、近年、無限で有害物質を発生しない太陽光の利用が精力的に検討されている。このクリーンエネルギー源である太陽光利用として現在実用化されているものは住宅用の単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン及びテルル化カドミウムやセレン化インジウム銅などの無機系太陽電池が挙げられる。   Global warming due to the increase in carbon dioxide concentration caused by the use of large amounts of fossil fuels, and the increase in energy demand accompanying population growth are recognized as problems related to the survival of humankind. Therefore, in recent years, the use of sunlight that does not generate infinite and harmful substances has been energetically studied. Examples of solar energy that is a clean energy source that is currently in practical use include residential single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, and inorganic solar cells such as cadmium telluride and indium copper selenide.

しかしながら、これらの無機系太陽電池にも欠点がある。例えば、シリコン系では、非常に純度の高いものが要求され、当然精製の工程は複雑でプロセス数が多く、製造コストが高い。それ以外にも軽量化などの要求もあり、特に、ユーザーへのペイバックが長い点でも不利であり、普及には問題があった。   However, these inorganic solar cells also have drawbacks. For example, a silicon system is required to have a very high purity. Naturally, the purification process is complicated, the number of processes is large, and the manufacturing cost is high. In addition, there is a demand for weight reduction and the like, and in particular, it is disadvantageous in terms of long payback to the user, and there has been a problem in the spread.

その一方で、有機材料を使う太陽電池も多く提案されている。有機太陽電池としては、p型有機半導体と仕事関数の小さい金属を接合させるショットキー型光電変換素子、p型有機半導体とn型無機半導体、あるいはp型有機半導体と電子受容性有機化合物を接合させるヘテロ接合型光電変換素子などがあり、利用される有機半導体は、クロロフィル、ペリレンなどの合成色素や顔料、ポリアセチレンなどの導電性高分子材料、または、これらの複合材料などである。これらを真空蒸着法、キャスト法またはディッピング法などにより、薄膜化し電池材料が構成されている。有機材料は低コスト、大面積化が容易などの長所もあるが、光電変換効率は1%以下と低いものが多かった。   On the other hand, many solar cells using organic materials have been proposed. As an organic solar cell, a Schottky photoelectric conversion element that joins a p-type organic semiconductor and a metal having a low work function, a p-type organic semiconductor and an n-type inorganic semiconductor, or a p-type organic semiconductor and an electron-accepting organic compound are joined. There are heterojunction photoelectric conversion elements, and organic semiconductors used are synthetic dyes and pigments such as chlorophyll and perylene, conductive polymer materials such as polyacetylene, or composite materials thereof. These are thinned by a vacuum deposition method, a casting method, a dipping method, or the like to form a battery material. Although organic materials have advantages such as low cost and easy area enlargement, the photoelectric conversion efficiency is often as low as 1% or less.

こうした状況の中で、良好な特性を示す太陽電池がスイスのグレッツェル博士らによって報告された(例えば、非特許文献1参照)。この文献には、電池作製に必要な材料及び製造技術も開示されている。この太陽電池は色素増感型太陽電池またはグレッツェル型太陽電池と呼ばれ、ルテニウム(Ru)錯体で分光増感された酸化チタン多孔質薄膜を作用電極とする湿式太陽電池である。この方式の利点は酸化チタンなどの安価な半導体を高純度まで精製する必要がないために、前述の無機系太陽電池と比較して製造コストが低減できること、また、利用できる光は可視光領域に幅広くいきわたっているため、可視光領域のエネルギー強度が高いとされる太陽光を有効に電気へ変換できることである。   Under such circumstances, a solar cell exhibiting good characteristics has been reported by Dr. Gretzell of Switzerland (see, for example, Non-Patent Document 1). This document also discloses materials and manufacturing techniques necessary for battery fabrication. This solar cell is called a dye-sensitized solar cell or a Gretzel solar cell, and is a wet solar cell using a titanium oxide porous thin film spectrally sensitized with a ruthenium (Ru) complex as a working electrode. The advantage of this method is that it is not necessary to purify inexpensive semiconductors such as titanium oxide to high purity, so that the manufacturing cost can be reduced compared to the inorganic solar cells described above, and the available light is in the visible light region. Because it is widespread, it is possible to effectively convert sunlight, which has a high energy intensity in the visible light region, into electricity.

しかしながら、資源的制約がある貴金属のRuが使われているため、色素増感型太陽電池が実用化された場合には、Ru錯体の安定供給に問題が生じる可能性がある。また、この資源的な制約から、Ru錯体自体が高価であり、大量製造の際にコスト面での問題も生じる可能性がある。このような問題を解決するため、Ru錯体の少なくとも一部をより安価な有機色素へ変更することを目的として、様々な提案がなされてきた。その例として、種々のメロシアニン色素、シアニン色素、9−フェニルキサンテン系色素、クマリン系色素などが開示されているが、これらは、光電変換効率において、Ru錯体よりもかなり劣っている。(例えば、特許文献1〜4参照)。   However, since noble metal Ru, which has resource limitations, is used, there is a possibility that a problem may occur in the stable supply of the Ru complex when a dye-sensitized solar cell is put into practical use. In addition, due to this resource limitation, the Ru complex itself is expensive, and there may be a problem in terms of cost during mass production. In order to solve such a problem, various proposals have been made for the purpose of changing at least part of the Ru complex to a cheaper organic dye. As examples thereof, various merocyanine dyes, cyanine dyes, 9-phenylxanthene dyes, coumarin dyes and the like are disclosed, but these are considerably inferior to Ru complexes in photoelectric conversion efficiency. (For example, see Patent Documents 1 to 4).

最近、色増感型太陽電池用色素として、Ru錯体に匹敵する光電変換効率を有する有機色素が開示されている(例えば、特許文献5、6及び7参照)。しかし、その性能は不十分であり、更なる光電変換効率改良が求められている。   Recently, organic dyes having photoelectric conversion efficiency comparable to Ru complexes have been disclosed as dyes for color-sensitized solar cells (see, for example, Patent Documents 5, 6 and 7). However, its performance is insufficient and further photoelectric conversion efficiency improvement is demanded.

また、最近では、光電変換効率も良好な有機色素も見出されてきたが、依然、Ru錯体の光電変換効率よりも若干劣っており、更なる光電変換効率の向上が求められている(例えば、特許文献8及び9参照)。   Recently, organic dyes having good photoelectric conversion efficiency have also been found, but they are still slightly inferior to the photoelectric conversion efficiency of Ru complexes, and further improvement in photoelectric conversion efficiency is required (for example, And Patent Documents 8 and 9).

特開平11−238905号公報JP 11-238905 A 特開2001−76773号公報JP 2001-76773 A 特開平10−92477号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-92477 国際公開第2002/045199号パンフレットInternational Publication No. 2002/045199 Pamphlet 特許第4610160号公報Japanese Patent No. 4610160 特許第4326272号公報Japanese Patent No. 4326272 特開2007−115673号公報JP 2007-115673 A 国際公開第2010/016612号パンフレットInternational Publication No. 2010/016612 Pamphlet 特開2013−35936号公報JP 2013-35936 A

Brian O’Regan & Michael Gratzel、”A low−cost, high−efficiency solar cell based on dye−sensitized colloidal TiO2 films”、Nature、1991年、353、p.737−740Brian O'Regan & Michael Gratzel, “A low-cost, high-efficiency solar cell based on dyed-sensitive TiO2 films”, Nature, 1991, 53. 737-740

本発明の課題は、優れた光電変換効率を有する色素増感型太陽電池用色素、この色素増感型太陽電池用色素により増感された半導体電極、及びその半導体電極を用いてなる色素増感型太陽電池を提供することである。   An object of the present invention is to provide a dye for a dye-sensitized solar cell having excellent photoelectric conversion efficiency, a semiconductor electrode sensitized by the dye for dye-sensitized solar cell, and a dye sensitization using the semiconductor electrode. Type solar cell.

上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、一般式[I]で示される色素増感型太陽電池用色素(以下、「色素」と略す場合がある)、この色素により増感された半導体電極及び半導体電極を用いてなる色素増感型太陽電池によって、目標を達成することができた。   As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned problems, a dye for a dye-sensitized solar cell represented by the general formula [I] (hereinafter sometimes abbreviated as “dye”), a semiconductor electrode sensitized with the dye, The target could be achieved by a dye-sensitized solar cell using a semiconductor electrode.

Figure 2015088416
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一般式[I]において、RとRは炭素数9以上のアルキル基を示す。RとRは水素原子またはアルキル基を示し、両者が連結してシクロペンタン環またはシクロヘキサン環を形成しても良い。Rは水素原子またはアルキル基を示す。RはpKaが6未満の酸性基を置換基として有する炭素数1〜2のアルキル基を示し、Rは、炭素数4以上のアルキル基または炭素数7以上のアラルキル基を示す。Lは二価の連結基を示し、nは0あるいは1を示す。イオウ原子を含む二つの複素五員環の立体配置はZ型とE型のどちらでも良い。 In the general formula [I], R 1 and R 2 represent an alkyl group having 9 or more carbon atoms. R 3 and R 4 each represent a hydrogen atom or an alkyl group, and both may be linked to form a cyclopentane ring or a cyclohexane ring. R 5 represents a hydrogen atom or an alkyl group. R 6 represents an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms having an acidic group having a pKa of less than 6 as a substituent, and R 7 represents an alkyl group having 4 or more carbon atoms or an aralkyl group having 7 or more carbon atoms. L represents a divalent linking group, and n represents 0 or 1. The configuration of two hetero five-membered rings containing a sulfur atom may be either Z-type or E-type.

一般式[I]で示される色素は、メロシアニン色素に分類される化合物であり、通常、電子ドナーユニットと電子アクセプターユニットとを共役二重結合で連結した構造を有する。本発明の色素は分子内に剛直なフルオレンユニットを有しており、半導体上に吸着する際に複数の色素が規則正しく配列しやすい性質を有している。さらに、フルオレンの9位に結合している2個の炭素数9以上のアルキル基(RとR)における立体的効果により、半導体と電解液との直接的な接触を軽減するバリア効果が発現し、電池作動時の半導体と電解液との間の逆電子移動反応を抑制できる。また、2個の炭素数9以上のアルキル基(RとR)における疎水性効果により、色素の吸着した電極表面を疎水性とすることが可能となり、電解液中に含まれる微量の水分による電極の劣化を防止することができる。以上の理由から、本発明の色素は、半導体上に吸着する際に安定な色素凝集体を形成し、優れた光電変換効率を有している。 The dye represented by the general formula [I] is a compound classified as a merocyanine dye, and usually has a structure in which an electron donor unit and an electron acceptor unit are connected by a conjugated double bond. The dye of the present invention has a rigid fluorene unit in the molecule, and has a property that a plurality of dyes are easily arranged regularly when adsorbed on a semiconductor. Furthermore, the steric effect of two alkyl groups having 9 or more carbon atoms (R 1 and R 2 ) bonded to the 9-position of fluorene has a barrier effect that reduces direct contact between the semiconductor and the electrolyte. The reverse electron transfer reaction between the semiconductor and the electrolyte during battery operation can be suppressed. In addition, the hydrophobic effect of the two alkyl groups having 9 or more carbon atoms (R 1 and R 2 ) makes it possible to make the electrode surface adsorbed with the dye hydrophobic, and a small amount of moisture contained in the electrolytic solution. It is possible to prevent electrode deterioration due to For the above reasons, the dye of the present invention forms a stable dye aggregate when adsorbed on a semiconductor and has excellent photoelectric conversion efficiency.

一般式[I]で示される色素について説明する。   The dye represented by the general formula [I] will be described.

一般式[I]において、RとRは炭素数9以上のアルキル基を示し、その具体例としてはノニル基、デシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、エイコシル基、ヘンエイコシル基、ドコシル基等のアルキル基が挙げられる。アルキル基の炭素数が10以上の場合、半導体と電解液との直接的な接触を軽減するバリア効果が高く、特に有効である。 In the general formula [I], R 1 and R 2 each represent an alkyl group having 9 or more carbon atoms. Specific examples thereof include nonyl group, decyl group, dodecyl group, tridecyl group, tetradecyl group, eicosyl group, heneicosyl group, docosyl group. And an alkyl group such as a group. When the number of carbon atoms in the alkyl group is 10 or more, the barrier effect for reducing direct contact between the semiconductor and the electrolyte is high, which is particularly effective.

とRは、水素原子の他に、メチル基、エチル基、n−ブチル基、n−ヘキシル基、n−オクチル基等のアルキル基を示し、同一炭素数であっても異なる炭素数であっても良い。また、RとRは両者で結合してシクロペンタン環またはシクロヘキサン環を形成しても良い。特に好ましいのは、両者で結合してシクロペンタン環またはシクロヘキサン環を形成しているものである。 R 3 and R 4 each represent an alkyl group such as a methyl group, an ethyl group, an n-butyl group, an n-hexyl group, and an n-octyl group in addition to a hydrogen atom, It may be. R 3 and R 4 may be bonded together to form a cyclopentane ring or a cyclohexane ring. Particularly preferred are those in which they are combined to form a cyclopentane ring or a cyclohexane ring.

Lの具体例は、次に示されるような二価の連結基が挙げられるが、これらはさらに置換基を有しても良い。   Specific examples of L include divalent linking groups as shown below, and these may further have a substituent.

Figure 2015088416
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は水素原子の他に、メチル基、エチル基等のアルキル基を示す。 R 5 represents an alkyl group such as a methyl group or an ethyl group in addition to a hydrogen atom.

はpKaが6未満の酸性基を置換基として有する炭素数1〜2のアルキル基を示す。pKaが6未満の酸性基の具体例としては、カルボキシ基、スルホ基、スルフィノ基、スルフェノ基、フォスフォノ基、フォスフィニコ基などが挙げられるが、その中でもカルボキシ基が特に好ましい。 R 6 represents a C 1-2 alkyl group having an acidic group having a pKa of less than 6 as a substituent. Specific examples of the acidic group having a pKa of less than 6 include a carboxy group, a sulfo group, a sulfino group, a sulfeno group, a phosphono group, and a phosphinico group, among which a carboxy group is particularly preferable.

の具体例としては、ブチル基、オクチル基、ドデシル基、n−ヘキサデシル基、オクタデシル基等のアルキル基、ベンジル基、フェネチル基等のアラルキル基が挙げられる。アルキル基の構造は直鎖構造、分岐構造のいずれであっても良いが、その中でも、炭素数が4以上の直鎖のアルキル基が特に好ましい。 Specific examples of R 7 include alkyl groups such as butyl group, octyl group, dodecyl group, n-hexadecyl group and octadecyl group, and aralkyl groups such as benzyl group and phenethyl group. The structure of the alkyl group may be either a linear structure or a branched structure, and among them, a linear alkyl group having 4 or more carbon atoms is particularly preferable.

次に、本発明の一般式[I]の化合物の具体例を挙げるが、これらに限定されるものではない。   Next, specific examples of the compound of the general formula [I] according to the present invention will be given, but the present invention is not limited thereto.

Figure 2015088416
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これらの化合物は、例えば特開平8−269345号公報、国際公開第2004/01155号パンフレットなどに記載の合成法を参考に合成できる。   These compounds can be synthesized with reference to the synthesis methods described in, for example, JP-A-8-269345 and WO 2004/01155 pamphlet.

色素増感型太陽電池は、導電性支持体、導電性支持体表面上に設けられた色素によって増感された半導体層(半導体電極)、電荷移動層及び対極からなる。半導体層は単層構成でも積層構成でもよく、目的に応じて設計される。また、導電性支持体の導電層と半導体層の境界、半導体層と移動層の境界など、この素子における境界においては、各層の構成成分は相互に拡散または混合してもよい。   The dye-sensitized solar cell includes a conductive support, a semiconductor layer (semiconductor electrode) sensitized with a dye provided on the surface of the conductive support, a charge transfer layer, and a counter electrode. The semiconductor layer may be a single layer structure or a stacked structure, and is designed according to the purpose. In addition, at the boundary of this element such as the boundary between the conductive layer and the semiconductor layer of the conductive support, the boundary between the semiconductor layer and the moving layer, the constituent components of each layer may diffuse or mix with each other.

導電性支持体は、金属のように支持体そのものに導電性があるもの、または表面に導電剤を含む導電層を有するガラスあるいはプラスチックの支持体を用いることができる。後者の場合、導電剤としては白金、金、銀、銅、アルミニウムなどの金属、炭素、あるいはインジウム−スズ複合酸化物(以降「ITO」と略記する)、フッ素をドーピングした酸化スズなどの金属酸化物(以降「FTO」と略記する)などが挙げられる。導電性支持体は、光を10%以上透過する透明性を有していることが好ましく、50%以上透過することがより好ましい。この中でも、ITOやFTOからなる導電層をガラス上に堆積した導電性ガラスが特に好ましい。   As the conductive support, there can be used a support made of glass or plastic having a conductive layer containing a conductive agent on its surface, such as a metal having a conductive property in itself. In the latter case, the conductive agent is a metal oxide such as platinum, gold, silver, copper, aluminum or the like, carbon or indium-tin composite oxide (hereinafter abbreviated as “ITO”), fluorine-doped tin oxide or the like. And the like (hereinafter abbreviated as “FTO”). The conductive support preferably has a transparency that transmits light of 10% or more, and more preferably transmits 50% or more. Among these, conductive glass in which a conductive layer made of ITO or FTO is deposited on glass is particularly preferable.

透明導電性基板の抵抗を下げる目的で、金属リード線を用いてもよい。金属リード線の材質はアルミニウム、銅、銀、金、白金、ニッケルなどの金属が挙げられる。金属リード線は、透明導電性支持体に蒸着、スパッタリング、圧着などで設置し、その上にITOやFTOを設ける方法、あるいは表面に導電性を有する透明基板上に金属リード線を設置する方法がある。   A metal lead wire may be used for the purpose of reducing the resistance of the transparent conductive substrate. Examples of the material of the metal lead wire include metals such as aluminum, copper, silver, gold, platinum, and nickel. A metal lead wire is installed on a transparent conductive support by vapor deposition, sputtering, pressure bonding, etc., and a method of providing ITO or FTO thereon, or a method of installing a metal lead wire on a transparent substrate having conductivity on the surface. is there.

半導体としては、シリコン、ゲルマニウムのような単体半導体、あるいは金属のカルコゲニドに代表される化合物半導体、またはペロブスカイト構造を有する化合物などがある。金属のカルコゲニドとしては、チタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブまたはタンタルの酸化物;カドミウム、亜鉛、鉛、銀、アンチモンまたはビスマスの硫化物;カドミウムまたは鉛のセレン化物;カドミウムのテルル化物などが好ましいものとして挙げられる。その他の化合物半導体としては、亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウムなどのリン化物;ガリウム砒素、銅−インジウム−セレン化物、銅−インジウム−硫化物などが好ましい。また、ペロブスカイト構造を有する化合物としては、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウムなどが好ましい。   Examples of the semiconductor include a single semiconductor such as silicon and germanium, a compound semiconductor typified by a metal chalcogenide, and a compound having a perovskite structure. Metal chalcogenides include titanium, tin, zinc, iron, tungsten, zirconium, hafnium, strontium, indium, cerium, yttrium, lanthanum, vanadium, niobium or tantalum oxides; cadmium, zinc, lead, silver, antimony or bismuth Preferable examples include sulfides of cadmium or selenides of lead or cadmium tellurides. Other compound semiconductors are preferably phosphides such as zinc, gallium, indium, and cadmium; gallium arsenide, copper-indium-selenide, copper-indium-sulfide, and the like. As the compound having a perovskite structure, strontium titanate, calcium titanate, sodium titanate, barium titanate, potassium niobate and the like are preferable.

本発明に用いられる半導体は、単結晶でも多結晶でもよい。光電変換効率から見ると、単結晶が好ましいが、製造コスト、原材料確保などから見ると、多結晶が好ましい。半導体の粒径は、2nm以上、1μm以下であることが好ましい。粒径の測定に関しては、透過電子顕微鏡観察による方法が好ましい。   The semiconductor used in the present invention may be single crystal or polycrystalline. From the viewpoint of photoelectric conversion efficiency, a single crystal is preferable, but from the viewpoint of manufacturing costs, securing raw materials, etc., a polycrystal is preferable. The particle size of the semiconductor is preferably 2 nm or more and 1 μm or less. Regarding the measurement of the particle size, a method by observation with a transmission electron microscope is preferable.

導電性支持体上に半導体層を形成する方法としては、半導体微粒子の分散液またはコロイド溶液を導電性支持体上に塗布する方法、ゾル−ゲル法などがある。分散液の作製方法としては、ゾル−ゲル法、乳鉢などで機械的に粉砕する方法、ミルを使って粉砕しながら分散する方法、または、半導体を合成する際に溶媒中で微粒子として析出させ、そのまま使用する方法などが挙げられる。   As a method of forming a semiconductor layer on a conductive support, there are a method of applying a dispersion or colloidal solution of semiconductor fine particles on a conductive support, a sol-gel method, and the like. As a method for producing a dispersion, a sol-gel method, a method of mechanically pulverizing with a mortar, a method of dispersing while pulverizing using a mill, or a fine particle in a solvent when synthesizing a semiconductor, The method of using it as it is is mentioned.

機械的粉砕、または、ミルを使用して粉砕して作製する分散液の場合、少なくとも半導体微粒子単独または半導体微粒子と樹脂の混合物を、水または有機溶剤に分散して作製される。使用される樹脂としては、スチレン、酢酸ビニル、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステルなどによるビニル化合物の重合体や共重合体、シリコーン樹脂、フェノキシ樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、ポリエステル樹脂、セルロースエステル樹脂、セルロースエーテル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。   In the case of a dispersion prepared by mechanical pulverization or pulverization using a mill, the dispersion is prepared by dispersing at least semiconductor fine particles alone or a mixture of semiconductor fine particles and a resin in water or an organic solvent. Resins used include polymers and copolymers of vinyl compounds such as styrene, vinyl acetate, acrylic acid esters, methacrylic acid esters, silicone resins, phenoxy resins, polysulfone resins, polyvinyl butyral resins, polyvinyl formal resins, polyester resins. , Cellulose ester resin, cellulose ether resin, urethane resin, phenol resin, epoxy resin, polycarbonate resin, polyarylate resin, polyamide resin, polyimide resin and the like.

半導体微粒子を分散する媒体としては、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどのアルコール系媒体;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン系媒体;ギ酸エチル、酢酸エチル、酢酸n−ブチルなどのエステル系媒体;ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、ジオキサンなどのエーテル系媒体;N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドンなどのアミド系媒体;ジクロロメタン、クロロホルム、ブロモホルム、ヨウ化メチル、ジクロロエタン、トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロベンゼン、o−ジクロロベンゼン、フルオロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、1−クロロナフタレンなどのハロゲン化炭化水素系媒体;n−ペンタン、n−ヘキサン、n−オクタン、1,5−ヘキサジエン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサジエン、ベンゼン、トルエン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン、エチルベンゼン、クメンなどの炭化水素系媒体を挙げることができる。これらは、単独または2種以上の混合媒体として用いることができる。   As a medium for dispersing the semiconductor fine particles, alcohol-based media such as water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol; ketone-based media such as acetone, methyl ethyl ketone, and methyl isobutyl ketone; ester-based media such as ethyl formate, ethyl acetate, and n-butyl acetate Medium: Ether-based medium such as diethyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolane, dioxane; Amide-based medium such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone; Dichloromethane, chloroform, Bromoform, methyl iodide, dichloroethane, trichloroethane, trichloroethylene, chlorobenzene, o-dichlorobenzene, fluorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, 1-chloronaphtha Halogenated hydrocarbon media such as n; pentane, n-hexane, n-octane, 1,5-hexadiene, cyclohexane, methylcyclohexane, cyclohexadiene, benzene, toluene, o-xylene, m-xylene, p- Examples thereof include hydrocarbon-based media such as xylene, ethylbenzene, cumene. These can be used alone or as a mixed medium of two or more.

分散液の塗布方法としては、ローラ法、ディップ法、エアーナイフ法、ブレード法、ワイヤーバー法、スライドホッパー法、エクストルージョン法、カーテン法、スピン法、スプレー法などを挙げることができる。   Examples of the method for applying the dispersion include a roller method, a dip method, an air knife method, a blade method, a wire bar method, a slide hopper method, an extrusion method, a curtain method, a spin method, and a spray method.

半導体層は単層であっても多層であってもよい。多層の場合、粒径の異なる半導体微粒子の分散液を多層塗布することもできる。また、種類の異なる半導体や、樹脂、添加剤の組成が異なる塗布層を多層塗布することもできる。一度の塗布で膜厚が不足する場合には、多層塗布は有効な手段である。   The semiconductor layer may be a single layer or multiple layers. In the case of multiple layers, a dispersion of semiconductor fine particles having different particle diameters can be applied in multiple layers. Also, different types of semiconductors, and coating layers having different compositions of resins and additives can be applied in multiple layers. Multi-layer coating is an effective means when the film thickness is insufficient with a single coating.

一般的に、半導体層の膜厚が増大するほど単位投影面積当たりの担持色素量も増えるため、光の捕獲率が高くなるが、生成した電子の拡散距離も増えるために電荷の再結合も多くなってしまう。したがって、半導体層の膜厚は0.1〜100μmが好ましく、1〜30μmがより好ましい。   In general, as the semiconductor layer thickness increases, the amount of supported dye increases per unit projected area, which increases the light capture rate, but also increases the diffusion distance of the generated electrons, resulting in more charge recombination. turn into. Therefore, the film thickness of the semiconductor layer is preferably 0.1 to 100 μm, and more preferably 1 to 30 μm.

半導体微粒子は導電性支持体上に塗布した後、加熱処理してもよいし、しなくともよい。しかし、微粒子同士の電子的コンタクト及び塗膜強度の向上や支持体との密着性向上の点から、加熱処理をした方が好ましい。さらに、マイクロ波照射、プレス処理あるいは電子線照射を行ってもよい。これらの処理は、単独で行っても構わないし、二種類以上行っても構わない。加熱処理の際、加熱温度は40〜700℃が好ましく、80〜600℃がより好ましい。また、加熱時間は5分〜50時間が好ましく、10分〜20時間がより好ましい。マイクロ波照射は、半導体電極の半導体層形成側から照射しても構わないし、裏側から照射しても構わない。照射時間には特に制限がないが、1時間以内で行うことが好ましい。プレス処理は、9.8×10N/m以上で行うことが好ましく、9.8×10N/m以上で行うことがさらに好ましい。プレスする時間は、特に制限がないが、1時間以内で行うことが好ましい。 The semiconductor fine particles may or may not be heat-treated after being coated on the conductive support. However, heat treatment is preferred from the viewpoints of electronic contact between fine particles, improvement in coating film strength, and improvement in adhesion to the support. Further, microwave irradiation, press treatment, or electron beam irradiation may be performed. These treatments may be performed alone or in combination of two or more. In the heat treatment, the heating temperature is preferably 40 to 700 ° C, more preferably 80 to 600 ° C. The heating time is preferably 5 minutes to 50 hours, and more preferably 10 minutes to 20 hours. Microwave irradiation may be performed from the semiconductor layer forming side of the semiconductor electrode or from the back side. Although there is no restriction | limiting in particular in irradiation time, It is preferable to carry out within 1 hour. The press treatment is preferably performed at 9.8 × 10 6 N / m 2 or more, and more preferably at 9.8 × 10 7 N / m 2 or more. The pressing time is not particularly limited, but is preferably within 1 hour.

半導体微粒子は多くの色素を吸着できるように表面積の大きなものが好ましい。このため半導体層を支持体上に塗設した状態での表面積は、投影面積に対して10倍以上であることが好ましく、100倍以上であることがより好ましい。   The semiconductor fine particles preferably have a large surface area so that many dyes can be adsorbed. For this reason, it is preferable that the surface area in the state which coated the semiconductor layer on the support body is 10 times or more with respect to a projection area, and it is more preferable that it is 100 times or more.

本発明の一般式[I]で示される色素増感型太陽電池用色素は、それぞれ一種類を単独で使用しても良く、両者合わせて2種以上を併用しても構わない。また、ルテニウム(Ru)錯体も用いた色素増感型太陽電池におけるRuの使用量を減少させる目的から、本発明の色素とRu錯体を併用しても構わない。他のメロシアニン色素、シアニン色素、9−フェニルキサンテン系色素、クマリン系色素、フタロシアニン系色素、ナフタロシアニン系色素等と本発明の色素を併用しても構わない。   The dye-sensitized solar cell dye represented by the general formula [I] of the present invention may be used alone or in combination of two or more. In addition, for the purpose of reducing the amount of Ru used in a dye-sensitized solar cell that also uses a ruthenium (Ru) complex, the dye of the present invention and a Ru complex may be used in combination. Other merocyanine dyes, cyanine dyes, 9-phenylxanthene dyes, coumarin dyes, phthalocyanine dyes, naphthalocyanine dyes and the like may be used in combination.

半導体層に色素を吸着させる方法としては、色素溶液中あるいは色素分散液中に半導体層を浸漬する方法、色素溶液あるいは分散液を半導体層に塗布して吸着させる方法を用いることができる。前者の場合、浸漬法、ディップ法、ローラ法、エアーナイフ法などを用いることができ、後者の場合は、ワイヤーバー法、スライドホッパー法、エクストルージョン法、カーテン法、スピン法、スプレー法などを用いることができる。   As a method for adsorbing the dye to the semiconductor layer, a method in which the semiconductor layer is immersed in a dye solution or a dye dispersion, or a method in which a dye solution or a dispersion is applied to the semiconductor layer and adsorbed can be used. In the former case, dipping method, dipping method, roller method, air knife method, etc. can be used, and in the latter case, wire bar method, slide hopper method, extrusion method, curtain method, spin method, spray method, etc. Can be used.

色素を吸着する際に、縮合剤を併用してもよい。縮合剤は、無機物表面に物理的あるいは化学的に色素を結合すると思われる触媒的作用をするもの、または、化学量論的に作用し、化学平衡を有利に移動させるものの何れであってもよい。さらに、縮合助剤としてチオールまたはヒドロキシ化合物を添加してもよい。   When adsorbing the dye, a condensing agent may be used in combination. The condensing agent may be either one that acts as a catalyst that physically or chemically binds the dye to the inorganic surface, or one that acts stoichiometrically to favorably shift the chemical equilibrium. . Further, a thiol or hydroxy compound may be added as a condensation aid.

色素を溶解あるいは分散する媒体は、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどのアルコール系媒体;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン系媒体;ギ酸エチル、酢酸エチル、酢酸n−ブチルなどのエステル系媒体;ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、ジオキサンなどのエーテル系媒体;アセトニトリル、プロピオニトリルなどのニトリル系媒体;N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドンなどのアミド系媒体;ジクロロメタン、クロロホルム、ブロモホルム、ヨウ化メチル、ジクロロエタン、トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロベンゼン、o−ジクロロベンゼン、フルオロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、1−クロロナフタレンなどのハロゲン化炭化水素系媒体;n−ペンタン、n−ヘキサン、n−オクタン、1,5−ヘキサジエン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサジエン、ベンゼン、トルエン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン、エチルベンゼン、クメンなどの炭化水素系媒体を挙げることができる。これらは、単独または2種以上混合して用いることができる。   The medium for dissolving or dispersing the dye is an alcoholic medium such as water, methanol, ethanol or isopropyl alcohol; a ketone medium such as acetone, methyl ethyl ketone or methyl isobutyl ketone; an ester type such as ethyl formate, ethyl acetate or n-butyl acetate. Medium: Ether-based medium such as diethyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolane, dioxane; Nitrile-based medium such as acetonitrile and propionitrile; N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2- Amide-based media such as pyrrolidone; dichloromethane, chloroform, bromoform, methyl iodide, dichloroethane, trichloroethane, trichloroethylene, chlorobenzene, o-dichlorobenzene, fluorobenze Halogenated hydrocarbon media such as bromobenzene, iodobenzene, 1-chloronaphthalene; n-pentane, n-hexane, n-octane, 1,5-hexadiene, cyclohexane, methylcyclohexane, cyclohexadiene, benzene, toluene, Examples thereof include hydrocarbon media such as o-xylene, m-xylene, p-xylene, ethylbenzene and cumene. These can be used alone or in admixture of two or more.

色素を吸着する際の温度としては、−50℃以上200℃以下が好ましい。また、吸着は攪拌しながら行っても構わない。攪拌する場合の方法としては、スターラー、ボールミル、ペイントコンディショナー、サンドミル、アトライター、ディスパーザーまたは超音波分散などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。吸着に要する時間は、5秒以上1000時間以下が好ましく、10秒以上500時間以下がより好ましく、1分以上150時間以下がさらに好ましい。   The temperature for adsorbing the dye is preferably -50 ° C or higher and 200 ° C or lower. Further, the adsorption may be performed while stirring. Examples of the stirring method include, but are not limited to, a stirrer, a ball mill, a paint conditioner, a sand mill, an attritor, a disperser, and ultrasonic dispersion. The time required for adsorption is preferably from 5 seconds to 1000 hours, more preferably from 10 seconds to 500 hours, and even more preferably from 1 minute to 150 hours.

本発明では、色素を半導体層に吸着させる際に、ステロイド系化合物を併用して、共吸着させても構わない。   In the present invention, when the dye is adsorbed on the semiconductor layer, a steroidal compound may be used in combination and co-adsorbed.

ステロイド系化合物の量は、色素1質量部に対して0.01〜1000質量部が好ましく、0.1〜100質量部がより好ましい。   0.01-1000 mass parts is preferable with respect to 1 mass part of pigment | dyes, and, as for the quantity of a steroid type compound, 0.1-100 mass parts is more preferable.

色素を吸着した後、または、色素とステロイド系化合物を共吸着した後、t−ブチルピリジン、2−ピコリン、2,6−ルチジンなどの塩基性化合物、または、リン酸、リン酸エステル、アルキルリン酸、酢酸、プロピオン酸などの酸性化合物を含有する有機溶媒に浸漬処理しても構わない。   After adsorbing the dye or co-adsorbing the dye and the steroidal compound, a basic compound such as t-butylpyridine, 2-picoline, 2,6-lutidine, or phosphoric acid, phosphate ester, alkyl phosphorus You may immerse in the organic solvent containing acidic compounds, such as an acid, an acetic acid, and propionic acid.

電荷移動層としては、酸化還元対を有機溶媒に溶解した電解液、酸化還元対を有機溶媒に溶解した液体をポリマーマトリックスに含浸したゲル電解質、酸化還元対を含有する溶融塩、固体電解質、無機正孔輸送物質、有機正孔輸送物質などを用いることができる。   As the charge transfer layer, an electrolytic solution in which a redox couple is dissolved in an organic solvent, a gel electrolyte in which a polymer matrix is impregnated with a liquid in which the redox couple is dissolved in an organic solvent, a molten salt containing a redox couple, a solid electrolyte, an inorganic A hole transport material, an organic hole transport material, or the like can be used.

電解液は、電解質、溶媒、及び添加物から構成されることが好ましい。好ましい電解質はヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化セシウム、ヨウ化カルシウムなどの金属ヨウ化物−ヨウ素の組み合わせ;テトラアルキルアンモニウムヨーダイド、ピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイドなどの4級アンモニウム化合物のヨウ素塩−ヨウ素の組み合わせ;臭化リチウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム、臭化セシウム、臭化カルシウムなどの金属臭化物−臭素の組み合わせ;テトラアルキルアンモニウムブロマイド、ピリジニウムブロマイドなどの4級アンモニウム化合物の臭素塩−臭素の組み合わせ;フェロシアン酸塩−フェリシアン酸塩、フェロセン−フェリシニウムイオンなどの金属錯体;ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオール−アルキルジスルフィドなどのイオウ化合物;ビオロゲン色素、ヒドロキノン−キノンなどが挙げられる。上述の電解質は単独の組み合わせであっても混合であってもよい。また、電解質として、室温で溶融状態の溶融塩を用いることもできる。この溶融塩を用いた場合は、特に溶媒を用いなくても構わない。   The electrolytic solution is preferably composed of an electrolyte, a solvent, and an additive. Preferred electrolytes are metal iodide-iodine combinations such as lithium iodide, sodium iodide, potassium iodide, cesium iodide, calcium iodide; quaternary grades such as tetraalkylammonium iodide, pyridinium iodide, imidazolium iodide, etc. Iodine salt of ammonium compound-iodine combination; metal bromide-bromine combination such as lithium bromide, sodium bromide, potassium bromide, cesium bromide, calcium bromide; quaternary ammonium such as tetraalkylammonium bromide, pyridinium bromide Bromine-bromine combinations of compounds; metal complexes such as ferrocyanate-ferricyanate and ferrocene-ferricinium ions; sulfur compounds such as sodium polysulfide and alkylthiol-alkyldisulfides ; Viologen dyes, hydroquinone - such as quinones and the like. The above-mentioned electrolytes may be a single combination or a mixture. Further, a molten salt in a molten state at room temperature can also be used as the electrolyte. When this molten salt is used, it is not necessary to use a solvent.

電解液における電解質濃度は0.05〜20Mが好ましく、0.1〜15Mがさらに好ましい。電解液に用いる溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒;3−メチル−2−オキサゾリジノンなどの複素環化合物;ジオキサン、ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテルなどのエーテル系溶媒;メタノール、エタノール、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテルなどのアルコール系溶媒;アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル系溶媒;ジメチルスルホキシド、スルホランなどの非プロトン性極性溶媒などが好ましい。また、t−ブチルピリジン、2−ピコリン、2,6−ルチジンなどの塩基性化合物を併用しても構わない。   The electrolyte concentration in the electrolytic solution is preferably 0.05 to 20M, and more preferably 0.1 to 15M. Solvents used for the electrolyte include carbonate solvents such as ethylene carbonate and propylene carbonate; heterocyclic compounds such as 3-methyl-2-oxazolidinone; ether solvents such as dioxane, diethyl ether and ethylene glycol dialkyl ether; methanol and ethanol Alcohol solvents such as polypropylene glycol monoalkyl ether; nitrile solvents such as acetonitrile and benzonitrile; aprotic polar solvents such as dimethyl sulfoxide and sulfolane are preferred. Moreover, you may use together basic compounds, such as t-butyl pyridine, 2-picoline, and 2, 6- lutidine.

電解質は、ポリマー添加、オイルゲル化剤添加、多官能モノマー類を含む重合、ポリマーの架橋反応などの手法により、ゲル化させることもできる。ポリマー添加によりゲル化させる場合の好ましいポリマーとしては、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデンなどを挙げることができる。オイルゲル化剤添加によりゲル化させる場合の好ましいゲル化剤としては、ジベンジリデン−D−ソルビトール、コレステロール誘導体、アミノ酸誘導体、トランス−(1R,2R)−1,2−シクロヘキサンジアミンのアルキルアミド誘導体、アルキル尿素誘導体、N−オクチル−D−グルコンアミドベンゾエート、双頭型アミノ酸誘導体、4級アンモニウム誘導体などを挙げることができる。   The electrolyte can be gelled by techniques such as polymer addition, oil gelling agent addition, polymerization including polyfunctional monomers, and polymer crosslinking reaction. Preferable polymers for gelation by addition of polymer include polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, and the like. Preferred gelling agents for gelation by adding an oil gelling agent include dibenzylidene-D-sorbitol, cholesterol derivatives, amino acid derivatives, trans- (1R, 2R) -1,2-cyclohexanediamine alkylamide derivatives, alkyl Examples include urea derivatives, N-octyl-D-gluconamidobenzoate, double-headed amino acid derivatives, quaternary ammonium derivatives, and the like.

多官能モノマーによって重合する場合の好ましいモノマーとしては、ジビニルベンゼン、エチレングリコールジメタクリレート、エチレングリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレートなどを挙げることができる。さらに、アクリルアミド、メチルアクリレートなどのアクリル酸やα−アルキルアクリル酸から誘導されるエステル類やアミド類、マレイン酸ジメチル、フマル酸ジエチルなどのマレイン酸やフマル酸から誘導されるエステル類、ブタジエン、シクロペンタジエンなどのジエン類、スチレン、p−クロロスチレン、スチレンスルホン酸ナトリウムなどの芳香族ビニル化合物、ビニルエステル類、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、含窒素複素環を有するビニル化合物、4級アンモニウム塩を有するビニル化合物、N−ビニルホルムアミド、ビニルスルホン酸、ビニリデンフルオライド、ビニルアルキルエーテル類、N−フェニルマレイミドなどの単官能モノマーを含有してもよい。モノマー全量に占める多官能性モノマーは、0.5〜70質量%が好ましく、1.0〜50質量%がより好ましい。   Preferred monomers for polymerization with polyfunctional monomers include divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, ethylene glycol diacrylate, diethylene glycol dimethacrylate, triethylene glycol dimethacrylate, pentaerythritol triacrylate, trimethylolpropane triacrylate, and the like. Can do. Furthermore, esters and amides derived from acrylic acid such as acrylamide and methyl acrylate and α-alkyl acrylic acid, esters derived from maleic acid and fumaric acid such as dimethyl maleate and diethyl fumarate, butadiene, cyclohexane Dienes such as pentadiene, aromatic vinyl compounds such as styrene, p-chlorostyrene, sodium styrenesulfonate, vinyl esters, acrylonitrile, methacrylonitrile, vinyl compounds having a nitrogen-containing heterocyclic ring, vinyls having a quaternary ammonium salt A monofunctional monomer such as a compound, N-vinylformamide, vinyl sulfonic acid, vinylidene fluoride, vinyl alkyl ethers, and N-phenylmaleimide may be contained. 0.5-70 mass% is preferable and the polyfunctional monomer which occupies for the monomer whole quantity has more preferable 1.0-50 mass%.

上述のモノマーは、ラジカル重合によって重合することができる。本発明で使用できるゲル電解質用モノマーは、加熱、光、電子線あるいは電気化学的にラジカル重合することができる。架橋高分子が加熱によって形成される場合に使用される重合開始剤は、2,2′−アゾビスイソブチロニトリル、2,2′−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、ジメチル−2,2′−アゾビス(2−メチルプロピオネート)などのアゾ系開始剤、ベンゾイルパーオキシドなどの過酸化物系開始剤などが好ましい。これらの重合開始剤の添加量は、モノマー総量に対して0.01〜20質量%が好ましく、0.1〜10質量%がより好ましい。   The above-mentioned monomers can be polymerized by radical polymerization. The monomer for gel electrolyte that can be used in the present invention can be radically polymerized by heating, light, electron beam or electrochemical. The polymerization initiator used when the crosslinked polymer is formed by heating is 2,2'-azobisisobutyronitrile, 2,2'-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), dimethyl-2 Azo initiators such as 2,2'-azobis (2-methylpropionate), peroxide initiators such as benzoyl peroxide, and the like are preferable. The addition amount of these polymerization initiators is preferably 0.01 to 20% by mass and more preferably 0.1 to 10% by mass with respect to the total amount of monomers.

ポリマーの架橋反応により電解質をゲル化させる場合、架橋反応に必要な反応性基を含有するポリマー及び架橋剤を併用することが望ましい。架橋反応に必要な反応性基の好ましい例としては、ピリジン、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、トリアゾール、モルフォリン、ピペリジン、ピペラジンなどの含窒素複素環を挙げることができる。好ましい架橋剤は、ハロゲン化アルキル、ハロゲン化アラルキル、スルホン酸エステル、酸無水物、酸クロリド、イソシアネートなどの窒素原子に対して求電子反応可能な2官能以上の試薬を挙げることができる。   When the electrolyte is gelled by a polymer crosslinking reaction, it is desirable to use a polymer containing a reactive group necessary for the crosslinking reaction and a crosslinking agent in combination. Preferable examples of the reactive group necessary for the crosslinking reaction include nitrogen-containing heterocycles such as pyridine, imidazole, thiazole, oxazole, triazole, morpholine, piperidine and piperazine. Preferred cross-linking agents include bifunctional or higher functional reagents capable of electrophilic reaction with nitrogen atoms such as alkyl halides, halogenated aralkyls, sulfonic acid esters, acid anhydrides, acid chlorides, and isocyanates.

無機正孔輸送物質を電解質の代わりに用いる場合、ヨウ化銅、チオシアン化銅などをキャスト法、塗布法、スピンコート法、浸漬法、電解メッキなどの手法により電極内部に導入することができる。   When an inorganic hole transport material is used instead of the electrolyte, copper iodide, copper thiocyanide, or the like can be introduced into the electrode by a casting method, a coating method, a spin coating method, a dipping method, or electrolytic plating.

また、電解質の代わりに有機電荷輸送物質を用いることも可能である。電荷輸送物質には正孔輸送物質と電子輸送物質がある。前者の例としては、例えば特公昭34−5466号公報などに示されているオキサジアゾール類、特公昭45−555号公報などに示されているトリフェニルメタン類、特公昭52−4188号公報などに示されているピラゾリン類、特公昭55−42380号公報などに示されているヒドラゾン類、特開昭56−123544号公報などに示されているオキサジアゾール類、特開昭54−58445号公報に示されているテトラアリールベンジジン類、特開昭58−65440号公報、あるいは特開昭60−98437号公報に示されているスチルベン類などを挙げることができる。その中でも、本発明に使用される電荷輸送物質としては、特開昭60−24553号公報、特開平2−96767号公報、特開平2−183260号公報、並びに特開平2−226160号公報に示されているヒドラゾン類、特開平2−51162号公報、並びに特開平3−75660号公報に示されているスチルベン類が特に好ましい。また、これらは単独、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。   It is also possible to use an organic charge transport material instead of the electrolyte. Charge transport materials include hole transport materials and electron transport materials. Examples of the former include, for example, oxadiazoles shown in Japanese Patent Publication No. 34-5466, triphenylmethanes shown in Japanese Patent Publication No. 45-555, and Japanese Patent Publication No. 52-4188. Pyrazolines shown in JP-A-55-42380, hydrazones shown in JP-B-56-123544, oxadiazoles shown in JP-A-56-123544, etc., JP-A-54-58445 And tetrasylbenzidines disclosed in JP-A-58-65440, and stilbenes disclosed in JP-A-60-98437. Among them, examples of the charge transport material used in the present invention are shown in JP-A-60-24553, JP-A-2-96767, JP-A-2-183260, and JP-A-2-226160. Particularly preferred are the hydrazones described, and the stilbenes shown in JP-A-2-51162 and JP-A-3-75660. Moreover, these can be used individually or in mixture of 2 or more types.

一方、電子輸送物質としては、例えばクロラニル、テトラシアノエチレン、テトラシアノキノジメタン、2,4,7−トリニトロ−9−フルオレノン、2,4,5,7−テトラニトロ−9−フルオレノン、2,4,5,7−テトラニトロキサントン、2,4,8−トリニトロチオキサントン、1,3,7−トリニトロジベンゾチオフェン、あるいは1,3,7−トリニトロジベンゾチオフェン−5,5−ジオキシドなどがある。これらの電子輸送物質は単独、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。   On the other hand, examples of the electron transport material include chloranil, tetracyanoethylene, tetracyanoquinodimethane, 2,4,7-trinitro-9-fluorenone, 2,4,5,7-tetranitro-9-fluorenone, 2,4 , 5,7-tetranitroxanthone, 2,4,8-trinitrothioxanthone, 1,3,7-trinitrodibenzothiophene, or 1,3,7-trinitrodibenzothiophene-5,5-dioxide . These electron transport materials can be used alone or as a mixture of two or more.

さらに、電荷移動層中の電荷移動効率を向上させる目的として、ある種の電子吸引性化合物を電荷移動層中に添加することもできる。この電子吸引性化合物としては例えば、2,3−ジクロロ−1,4−ナフトキノン、1−ニトロアントラキノン、1−クロロ−5−ニトロアントラキノン、2−クロロアントラキノン、フェナントレンキノンなどのキノン類;4−ニトロベンズアルデヒドなどのアルデヒド類;9−ベンゾイルアントラセン、インダンジオン、3,5−ジニトロベンゾフェノン、3,3′,5,5′−テトラニトロベンゾフェノンなどのケトン類;無水フタル酸、4−クロロナフタル酸無水物などの酸無水物;テレフタラルマロノニトリル、9−アントリルメチリデンマロノニトリル、4−ニトロベンザルマロノニトリル、4−(p−ニトロベンゾイルオキシ)ベンザルマロノニトリルなどのシアノ化合物;3−ベンザルフタリド、3−(α−シアノ−p−ニトロベンザル)フタリド、3−(α−シアノ−p−ニトロベンザル)−4,5,6,7−テトラクロロフタリドなどのフタリド類などを挙げることができる。   Furthermore, for the purpose of improving the charge transfer efficiency in the charge transfer layer, a certain kind of electron withdrawing compound can be added to the charge transfer layer. Examples of the electron-withdrawing compound include quinones such as 2,3-dichloro-1,4-naphthoquinone, 1-nitroanthraquinone, 1-chloro-5-nitroanthraquinone, 2-chloroanthraquinone, and phenanthrenequinone; 4-nitro Aldehydes such as benzaldehyde; ketones such as 9-benzoylanthracene, indandione, 3,5-dinitrobenzophenone, 3,3 ', 5,5'-tetranitrobenzophenone; phthalic anhydride, 4-chloronaphthalic anhydride, etc. Cyano compounds such as terephthalalmalononitrile, 9-anthrylmethylidenemalononitrile, 4-nitrobenzalmalononitrile, 4- (p-nitrobenzoyloxy) benzalmalononitrile; 3-benzalphthalide, 3 -(Α-cyano-p-ni Robenzaru) phthalide, 3- (alpha-cyano -p- Nitorobenzaru) -4,5,6,7 such phthalides such as tetrachloro phthalide can be cited.

電荷輸送材料を用いて電荷移動層を形成する場合、樹脂を併用しても構わない。樹脂を併用する場合には、ポリスチレン樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリアリレート樹脂、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、フェノキシ樹脂などが挙げられる。これらの中でも、ポリスチレン樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアリレート樹脂が好ましい。これらの樹脂は、単独あるいは共重合体として2種以上を混合しても構わない。   When forming a charge transfer layer using a charge transport material, a resin may be used in combination. When the resin is used in combination, polystyrene resin, polyvinyl acetal resin, polysulfone resin, polycarbonate resin, polyester resin, polyphenylene oxide resin, polyarylate resin, acrylic resin, methacrylic resin, phenoxy resin, and the like can be given. Among these, polystyrene resin, polyvinyl acetal resin, polycarbonate resin, polyester resin, and polyarylate resin are preferable. These resins may be used alone or as a copolymer in combination of two or more.

電荷移動層の形成方法は大きく2通りの方法が挙げられる。1つは、色素を吸着した半導体層の上に、先に対極を貼り合わせ、その隙間に液状の電荷移動層を挟み込む方法である。もう一つは、色素を吸着した半導体層の上に直接電荷移動層を付与する方法である。後者の場合、電荷移動層の上に対極を新たに付与することになる。   There are two main methods for forming the charge transfer layer. One is a method in which a counter electrode is first bonded onto a semiconductor layer that has adsorbed a dye, and a liquid charge transfer layer is sandwiched in the gap. The other is a method in which a charge transfer layer is provided directly on a semiconductor layer adsorbed with a dye. In the latter case, a counter electrode is newly provided on the charge transfer layer.

前者の場合、電荷移動層の挟み込み方法として、浸漬などによる毛管現象を利用する常圧プロセスと常圧より低い圧力にして気相を液相に置換する真空プロセスが挙げられる。後者の場合、湿式の電荷移動層においては、未乾燥のまま対極を付与し、エッジ部の液漏洩防止を施す必要がある。また、ゲル電解液の場合においては、湿式で塗布して重合などの方法により固体化する方法もある。その場合、乾燥、固定化した後に対極を付与してもよい。電解液の他、有機電荷輸送材料の溶解液やゲル電解質を付与する方法としては、半導体層や色素の付与と同様に、浸漬法、ローラ法、ディップ法、エアーナイフ法、エクストルージョン法、スライドホッパー法、ワイヤーバー法、スピン法、スプレー法、キャスト法、各種印刷法などが挙げられる。   In the former case, examples of the method for sandwiching the charge transfer layer include a normal pressure process using capillary action due to immersion and a vacuum process in which the gas phase is replaced with a liquid phase at a pressure lower than normal pressure. In the latter case, in the wet charge transfer layer, it is necessary to provide a counter electrode without being dried to prevent liquid leakage at the edge portion. In the case of a gel electrolyte, there is a method in which it is applied in a wet manner and solidified by a method such as polymerization. In that case, you may provide a counter electrode after drying and fixing. In addition to the electrolytic solution, the organic charge transport material solution and gel electrolyte can be applied in the same manner as the semiconductor layer and pigment application, as well as the immersion method, roller method, dipping method, air knife method, extrusion method, slide Examples include the hopper method, wire bar method, spin method, spray method, casting method, and various printing methods.

対極は、前述の表面に導電性を有する基板と同様に導電層を有する支持体上に用いることができるが、導電層自体が強度や密封性を十分有する場合は必ずしも支持体は必要ではない。対極に用いる材料の具体例としては、白金、金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウムなどの金属、炭素系化合物、ITO、FTOなどの導電性金属酸化物などが挙げられる。対極の厚さには特に制限はない。   The counter electrode can be used on a support having a conductive layer in the same manner as the substrate having conductivity on the surface, but the support is not necessarily required when the conductive layer itself has sufficient strength and sealing properties. Specific examples of the material used for the counter electrode include metals such as platinum, gold, silver, copper, aluminum, rhodium and indium, carbon compounds, and conductive metal oxides such as ITO and FTO. There is no particular limitation on the thickness of the counter electrode.

半導体層に光が到達するためには、半導体層を保持した表面に導電性を有する基板と対極の少なくとも一方は実質的に透明でなければならない。本発明の光電変換素子においては、半導体層を保持した表面に導電性を有する基板が透明であり、半導体層を保持した導電性基板側から太陽光を入射させる方法が好ましい。この場合、対極には光を反射させる材料を使用することが好ましく、金属、導電性酸化物を蒸着したガラス、プラスチックまたは金属薄膜が好ましい。   In order for light to reach the semiconductor layer, at least one of the conductive substrate and the counter electrode on the surface holding the semiconductor layer must be substantially transparent. In the photoelectric conversion element of this invention, the board | substrate which has electroconductivity on the surface holding the semiconductor layer is transparent, and the method of making sunlight inject from the electroconductive board | substrate side holding the semiconductor layer is preferable. In this case, a material that reflects light is preferably used for the counter electrode, and a metal, glass, plastic, or metal thin film on which a conductive oxide is deposited is preferable.

対極の塗設については、前述の通り、電荷移動層の上に付与する場合と半導体層上に付与する場合の2通りがある。何れの場合も対極材料の種類や電荷移動層の種類により、適宜、電荷移動層上または半導体層上に対極材料を塗布、ラミネート、蒸着、貼り合わせなどの手法により形成可能である。また、電荷移動層が固体の場合には、その上に直接、前述の導電性材料を塗布、蒸着、化学気相蒸着(CVD)などの手法で対極を形成することができる。   As described above, there are two types of coating of the counter electrode: when applied on the charge transfer layer and when applied on the semiconductor layer. In any case, the counter electrode material can be appropriately formed on the charge transfer layer or the semiconductor layer by a technique such as coating, laminating, vapor deposition, or bonding depending on the type of the counter electrode material or the type of the charge transfer layer. When the charge transfer layer is solid, the counter electrode can be formed directly on the conductive material by a method such as coating, vapor deposition, or chemical vapor deposition (CVD).

次に本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to these at all.

(実施例1)
<色素増感型太陽電池の作製>
酸化チタンペースト:PST−18NR(触媒化成工業社製、平均粒径18nm)1.2gと、酸化チタンペースト:PST−400C(触媒化成工業社製、平均粒径400nm)0.3gとを乳鉢中で10分間充分に練り合わせて電極製造用ペーストを作製した。このペーストをFTOガラス基板(AGCファブリテック社製、品名:VU)上に膜厚5μmになるように塗布し、室温で乾燥後、100℃で30分、さらに、450℃で1時間焼成し、半導体電極を得た。
Example 1
<Preparation of dye-sensitized solar cell>
Titanium oxide paste: 1.2 g of PST-18NR (catalyst chemical industry, average particle size 18 nm) and titanium oxide paste: PST-400C (catalyst chemical industry, average particle size 400 nm) 0.3 g in a mortar Were sufficiently kneaded for 10 minutes to prepare an electrode manufacturing paste. This paste was applied onto an FTO glass substrate (manufactured by AGC Fabrytec, product name: VU) so as to have a film thickness of 5 μm, dried at room temperature, baked at 100 ° C. for 30 minutes, and further at 450 ° C. for 1 hour, A semiconductor electrode was obtained.

色素A−2をt−ブタノール/アセトニトリル(体積比:1/1)の混合溶液に溶解して、0.5mMの濃度の色素溶液を調製した。この色素溶液に、先に作製した半導体電極を室温で3時間浸漬して吸着処理を施し、色素吸着半導体電極(作用電極)を作製した。対極にはチタニウム板上に白金をスパッタリングしたものを使用した。両電極を互いに向かい合うように配置し、それらの間に電解液を注入して色素増感型太陽電池を作製した。電解液はヨウ化リチウム0.1M、ヨウ素0.05M、ヨウ化1,2−ジメチル−3−n−プロピルイミダゾリウム0.5M、4−t−ブチルピリジン0.05Mの3−メトキシプロピオニトリル溶液を使用した。   Dye A-2 was dissolved in a mixed solution of t-butanol / acetonitrile (volume ratio: 1/1) to prepare a dye solution having a concentration of 0.5 mM. The previously prepared semiconductor electrode was immersed in this dye solution at room temperature for 3 hours to perform an adsorption treatment, thereby preparing a dye-adsorbing semiconductor electrode (working electrode). As the counter electrode, a titanium plate on which platinum was sputtered was used. Both electrodes were placed so as to face each other, and an electrolyte was injected between them to produce a dye-sensitized solar cell. The electrolyte was 3-methoxypropionitrile of lithium iodide 0.1M, iodine 0.05M, 1,2-dimethyl-3-n-propylimidazolium iodide 0.5M, 4-t-butylpyridine 0.05M. The solution was used.

(実施例2〜16)
色素A−2を表1に示す色素に変更した以外は、実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製した。
(Examples 2 to 16)
A dye-sensitized solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the dye A-2 was changed to the dye shown in Table 1.

(比較例1〜4)
色素A−2を比較色素C−1〜C−4に変更した以外は、実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製した。
(Comparative Examples 1-4)
A dye-sensitized solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the dye A-2 was changed to the comparative dyes C-1 to C-4.

Figure 2015088416
Figure 2015088416

<評価1:光電変換効率>
色素増感型太陽電池の作用電極側から、光源としてソーラーシミュレーター(山下電装(株)製、装置名:YSS−40S)から発生した擬似太陽光(AM1.5G、照射強度100mW/cm)を照射し、電気化学測定装置(ソーラートロン社製、装置名:SI−1280B)を用いて、実施例1〜16及び比較例1〜4の色素増感型太陽電池の光電変換効率を評価した。結果を表1に示す。実施例1〜16と比較例2〜4の開放電圧、短絡電流密度、光電変換効率は、比較例1の評価結果を基準とした相対値として示した。
<Evaluation 1: Photoelectric conversion efficiency>
From the working electrode side of the dye-sensitized solar cell, artificial sunlight (AM1.5G, irradiation intensity 100 mW / cm 2 ) generated from a solar simulator (manufactured by Yamashita Denso Co., Ltd., device name: YSS-40S) as a light source. The photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cells of Examples 1 to 16 and Comparative Examples 1 to 4 was evaluated using an electrochemical measurement device (manufactured by Solartron, device name: SI-1280B). The results are shown in Table 1. The open circuit voltage, short circuit current density, and photoelectric conversion efficiency of Examples 1 to 16 and Comparative Examples 2 to 4 are shown as relative values based on the evaluation results of Comparative Example 1.

Figure 2015088416
Figure 2015088416

表1から明らかなように、本発明の色素が比較例の色素に比べて、光電変換効率に優れていることがわかる。   As is clear from Table 1, it can be seen that the dye of the present invention is superior in photoelectric conversion efficiency as compared with the dye of the comparative example.

本発明の色素増感型太陽電池用色素は、色素増感型太陽電池に加えて、特定波長の光に感応する光センサーなどに活用することができる。   The dye for dye-sensitized solar cells of the present invention can be used for an optical sensor sensitive to light of a specific wavelength in addition to the dye-sensitized solar cell.

Claims (3)

下記一般式[I]で示される色素増感型太陽電池用色素。
Figure 2015088416
(一般式[I]において、RとRは炭素数9以上のアルキル基を示し、RとRで結合して環状構造を形成しても良い。RとRは水素原子またはアルキル基を示し、両者が連結してシクロペンタン環またはシクロヘキサン環を形成しても良い。Rは水素原子またはアルキル基を示す。RはpKaが6未満の酸性基を置換基として有する炭素数1〜2のアルキル基を示し、Rは、炭素数4以上のアルキル基または炭素数7以上のアラルキル基を示す。Lは二価の連結基を示し、nは0あるいは1を示す。イオウ原子を含む二つの複素五員環の立体配置はZ型とE型のどちらでも良い。)
A dye for a dye-sensitized solar cell represented by the following general formula [I].
Figure 2015088416
(In the general formula [I], R 1 and R 2 represent an alkyl group having 9 or more carbon atoms, and may be bonded by R 1 and R 2 to form a cyclic structure. R 3 and R 4 are hydrogen atoms. Or an alkyl group, which may combine to form a cyclopentane ring or a cyclohexane ring, R 5 represents a hydrogen atom or an alkyl group, and R 6 has an acidic group having a pKa of less than 6 as a substituent. R 7 represents an alkyl group having 4 or more carbon atoms or an aralkyl group having 7 or more carbon atoms, L represents a divalent linking group, and n represents 0 or 1 (The configuration of the two hetero five-membered rings containing a sulfur atom may be either Z-type or E-type.)
請求項1記載の色素増感型太陽電池用色素により増感されてなる半導体電極。   A semiconductor electrode sensitized with the dye for a dye-sensitized solar cell according to claim 1. 請求項2記載の半導体電極を用いてなる色素増感型太陽電池。   A dye-sensitized solar cell using the semiconductor electrode according to claim 2.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2017098447A (en) * 2015-11-26 2017-06-01 三菱製紙株式会社 Dye-sensitized solar cell dye, semiconductor layer, and dye-sensitized solar cell

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