JP2016506379A - コバルト錯塩 - Google Patents

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健太郎 川田
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Abstract

本発明は、コバルト錯塩、ならびに電気化学および/または光電子デバイスにおける正孔輸送材料のためのレドックス活性種またはドーパントとしてのそれらの使用に関する。加えて本発明は、前記塩を含む電気化学および/または光電子デバイス、ならびに前記塩を含む電解質配合体に関する。

Description

本発明は、以下に記載される式(I)によるコバルト錯塩、ならびに電気化学および/または光電子デバイスにおける正孔輸送材料のためのレドックス活性種またはドーパントとしてのそれらの使用に関する。加えて本発明は、前記塩を含む電気化学および/または光電子デバイス、ならびに前記塩を含む電解質配合体に関する。
色素増感太陽電池(DSSC)は高コストなケイ素ベース光起電デバイスの有望な代替と考えられている。色素増感太陽電池の作用原理は、自然界が植物の葉において用いる、太陽光下で二酸化炭素および水を炭水化物および酸素へと変換するものに類似している。葉におけるクロロフィルは自然界においてこのプロセスを増感する。最初の人工増感太陽電池は二酸化チタンをクロロフィルの層で覆うことにより製造された。
近年の色素増感太陽電池は、半導体アノード(酸化物、典型的にはTiO、アナターゼ)、色素増感剤、対電極(カソード)およびレドックス活性種を含有する電解質、溶媒および幾何かの添加剤からなるマルチコンポーネント系である。光アノードは、ナノ結晶性半導体ナノ粒子の層上に吸収された単層の分子レドックス色素増感剤により構成される。光吸収後、励起状態の光増感剤は、電子を半導体の伝導帯へと容易に注入する。伝導帯から色素カチオンへの逆電子移動は、界面電荷再結合と名付けられている。この界面電荷再結合は、動力学的に、レドックス活性種の酸化された増感剤との反応と競合する。レドックス活性種は酸化され、増感剤は還元され、再び光を吸収できるようになる。レドックス活性種の還元は、電荷輸送層において、例えば電解質配合体により生じる。レドックス活性種は頻繁にメディエータまたはレドックスシャトルと称され、いわゆるレドックス対を構築する。半導体膜の対電極への、およびナノ結晶膜内の注入電子のバックコンタクトへの、正孔における電解質による電荷輸送は、電子再捕獲反応と効果的に競合するのに十分に速くあるべきである[H. Nusbaumer et al, J. Phys. Chem. B2001, 105, 10461-10464]。
DSSCは既に11%より多い太陽光電気電力変換効率(PCE、η)を達成しているが(298Kにおいて、基準エアマス1.5および太陽光強度1000W/m下)、未だにSi太陽電池のものの2倍よりも下である[J.-H. Yum, E. Baranoff, F. Kessler, T. Moehl, S. Ahmad, T. Bessho, A. Marchioro, E. Ghadiri, J.-E. Moser, C. Yi, Md. K. Nazeeruddin and M. Graetzel, Nature Communications, 3 (2012), p. 631]。PCEのさらなる改善のために、DSSCの全てのコンポーネントの、とくにレドックスメディエータの最適化が必要とされている。I/I レドックス系を含有する電解質は、レドックス活性種またはメディエータとしてDSSCにおいて汎用されている。しかし、I/I レドックス対は、このタイプのDSSCの開回路電位を0.7〜0.8Vへと制限する低いレドックス電位に苛まされている。[H.N. Tsao, C. Yi, T. Moehl, J.-H. Yum, S.M. Zakeeruddin, M.K. Nazeeruddin and M. Graetzel, ChemSusChem, 4 (2011), p. 591 − 594.] ヨウ化物含有電解質はまた、AgまたはCuから製造されたDSSCにおける集電器を浸食する。それゆえ、色素の酸化電位に、より良好に相応するレドックス活性種での非浸食性電極の開発が必要とされている。
近年、いくつかの文献は、DSSCのための電解質配合体における、または固体型DSSC(sDSSC)の電荷輸送層内のコバルトレドックスシャトル、例えばコバルト(III/II)トリス(2,2’−ビピリジン)を対象としている。
Co(II)錯体の酸化およびCo(III)錯体の還元が対イオンにおよび金属中心に配位するリガンドの性質に依存することが知られている。Co(II)およびCo(III)の酸化状態を安定化するさまざまなリガンドが開発および研究されている[N.N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, Band 2, Part 26. Cobalt, Rhodium, Iridium, 1997, Elsevier Science Ltd.]。さまざまなアニオンとの、例えば[PF[WO 2012/001033; H.-S. Kim, S.-B. Ko, I.-H. Jang and N.-G. Park, Chem. Commun., 47 (2011), p. 12637-12639; J.-H. Yum, E. Baranoff, F. Kessler, T. Moehl, S. Ahmad, T. Bessho, A. Marchioro, E. Ghadiri, J.-E. Moser, C. Yi, Md. K. Nazeeruddin and M. Graetzel, Nature Communications, 3 (2012), p. 631]、[(CFSON][P. Nockemann, M. Pellens, K.V. Hecke, L.V. Meervelt, J. Wouters, B. Thijs, E. Vanecht, T.N. Parac-Vogt, N. Mehdi, S. Schaltin, J. Fransaer, S. Zahn, B. Kirchner and K. Binnemans, Chem. Eur. J., 16 (2010), p. 1849-1858]および[(CFSON][WO 2012/114315; A. Yella, H.-W. Lee, H.N. Tsao, C. Yi, A.K. Chadrian, Md.K. Nazeeruddin, E.W.-G. Diau, C.-Y. Yeh, S.M. Zakeeruddin, M. Graetzel, Science, 334 (2011), p. 629 − 634; H.N. Tsao, J. Burschka, C.Yi, F. Kessler, M.K. Nazeeruddin and M. Graetzel, Energy Environ. Sci., 4 (2011), p. 4921 − 4924; H.N. Tsao, C.Yi, T. Moehl, J.-H. Yum, S.M. Zakeeruddin, M.K. Nazeeruddin and M. Graetzel, ChemSusChem, 4 (2011), p. 591 − 594]とのCo(II)/(III)錯体が公知である。
しかし、電気化学および電子光学デバイスのための新規のおよび/または改善されたレドックスシャトルに対する要求が継続して存在する。
それゆえ本発明の目的は、電気化学および光電子デバイスのための代替のおよび/または改善されたレドックス対を提供することである。
本発明
驚くべきことに、Co(III/II)錯体中のテトラシアノホウ酸アニオンを、少数のシアノ基を含有する、より低対称性のアニオンと置き換えることにより、DSSCのより良好な性能を提供する新規のCo(II)/(III)錯体をもたらすということが見出された。
それゆえ本発明はまず、式(I)
式中
zは、1または2であり、
nは、2または3であり、
yはそれぞれ独立して、0、1、2、3または4であり、
Rはそれぞれ独立して、ハロゲン、
CN、CF、OR’、(CH−COOR’、1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝アルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝アルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝アルキニル基であり、
ここで置換基(CH−COOR’における2つまたは3つ以上の隣接したCH基は任意に(−CH=CH−)で置き換えられていることができ、
mは、0〜20の数であり、および
R’は、H、1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキニル基である
で表される化合物に関する。
式(I)で表される化合物は、得られる式が全ての可能な立体異性体を含むように定義される。
1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基は、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、n−ブチル、sec.−ブチル、tert.−ブチル、1−(2,2−ジメチル)−プロピル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、x−メチルブチル、ここでxは1;2または3である、x−メチルペンチル、ここでxは1;2;3または4である、x−メチルヘキシル、ここでxは1;2;3;4または5である、x−エチルペンチル、ここでxは1、2または3である、x−エチルヘキシル、ここでxは1;2;3または4である、n−ノニル、n−デシル、n−ウンデシル、n−ドデシル、n−トリデシル、n−テトラデシル、n−ペンタデシル、n−ヘキサデシル、n−ヘプタデシル、n−オクタデシル、n−ノナデシルおよびn−エイコシルである。好ましくは、直鎖のまたは分枝のアルキル基は、1〜10個のC原子を有する。とくに好ましくは、直鎖のまたは分枝のアルキル基は、メチル、エチル、イソプロピル、n−ブチル、sec.−ブチルまたはtert.−ブチルである。とてもとくに好ましくは、直鎖のまたは分枝のアルキル基は、メチルまたはtert.−ブチルである。
2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニルは、ここにおいて複数の二重結合もまた存在してもよく、例えばアリル、2−もしくは3−ブテニル、iso−ブテニル、sec−ブテニル、さらには4−ペンテニル、iso−ペンテニル、ヘキセニル、ヘプテニル、オクテニル、−C17、−C1019〜−C2039、好ましくはアリル、2−もしくは3−ブテニル、iso−ブテニル、sec−ブテニル、さらに好ましくは4−ペンテニル、iso−ペンテニルまたはヘキセニルである。
2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキニル基は、ここにおいて複数の三重結合もまた存在してもよく、例えばエチニル、1−もしくは2−プロピニル、2−もしくは3−ブチニル、さらには4−ペンチニル、3−ペンチニル、ヘキシニル、ヘプチニル、オクチニル、−C15、−C1017〜−C2037、好ましくはエチニル、1−もしくは2−プロピニル、2−もしくは3−ブチニル、4−ペンチニル、3−ペンチニルまたはヘキシニルである。
ハロゲンはF、Cl、BrまたはIを示す。ハロゲンは好ましくは、Fを示す。
置換基(CH−COOR’は、ここにおいてmは0〜20であり、それゆえ−COOR’、−(CH)−COOR’、−(CH−COOR’、−(CH−COOR’、−(CH−COOR’、−(CH−COOR’、−(CH−COOR’、−(CH−COOR’、−(CH−COOR’、−(CH−COOR’、−(CH10−COOR’、−(CH11−COOR’、−(CH12−COOR’、−(CH13−COOR’、−(CH14−COOR’、−(CH15−COOR’、−(CH17−COOR’または−(CH19−COOR’と読め、ここでR’は上で記載されたかまたは好ましく記載された意味を有する。(CH−COOR’において、mは好ましくは0、1、15および17である。置換基(CH−COOR’において、2つまたは3つ以上の隣接するCH基は(−CH=CH−)で置き換えられていることができ、例えば−(CH−CH=CH−(CH−COOR’、−(CH−CH=CH−CH−CH=CH−(CH−COOR’または−CH−(CH−CH=CH)−(CH−COOR’である。
R’は、Hまたは1〜20個のC原子を直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキニル基である。好ましくはR’は、Hまたは1〜10個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基である。とくに好ましくはR’は、式中nが2である式(I)で表される化合物(下で定義される式(Ia)で表される化合物)に関してはHである。とくに好ましくはR’は、式中nが3である式(I)で表される化合物(下に定義される式(Ib)で表される化合物)に関しては1〜10個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基である。
それゆえ式中zが1または2である式[BH(CN)4−zで表されるアニオンを有する式(I)で表される化合物は、
式中zが1である式(IA)
で表される化合物;および
式中zが2である式(IB)
式中、R、R’、y、mおよびnは、本明細書に記載される意味を有する、
で表される化合物に対応する。
式(IA)および(IB)は、得られる式が全ての可能な立体異性体を含むように定義される。
本発明はさらに、式(I)、(IA)または(IB)で表される少なくとも1種の化合物の、レドックス活性種としての使用に関する。
それゆえ、用語「式(I)で表されるCoII/CoIIIレドックス対」は、式中nが2である式(I)で表される化合物と、式中nが3でありおよび置換基z、R、R’、y、mおよびnが同一であるかまたは異なっている式(I)で表される化合物との混合物として定義される。
それゆえ式(I)で表されるCoII/CoIIIレドックス対は、式(Ia)で表される化合物と、式(Ib)で表される化合物との混合物である、
式中
置換基z、R、R’、yおよびmは、同一であるかまたは異なっており、および以下に定義されるとおりである:
zは、1または2であり、
yはそれぞれ独立して、0、1、2、3または4であり、
Rはそれぞれ独立して、ハロゲン、CN、CF、OR’、(CH−COOR’、1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキニル基であり、
ここで置換基(CH−COOR’内の2つまたは3つ以上の隣接するCH基は任意に(−CH=CH−)で置き換えられていることができ、
mは、0〜20の数であり、および
R’は、Hまたは1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキニル基である。
式(Ia)および(Ib)で表される化合物は、得られる式が全ての可能な立体異性体を含むように定義される。
本発明の一態様において、式(I)で表されるCoII/CoIIIレドックス対におけるまたは換言すると式(Ia)および(Ib)で表される化合物における変数zは同一であり、このようにして式(IA)で表されるCoII/CoIIIレドックス対または式(IB)で表されるCoII/CoIIIレドックス対を形成するのが好ましい。
式(IA)で表されるCoII/CoIIIレドックス対は、式中zが1である式(I)で表されるCoII/CoIIIレドックス対であり、このようにして式(Ia)および(Ib)、式中、置換基R、R’、yおよびmは同一であるかまたは異なっており、上に記載されるように定義される、におけるアニオン[BH(CN)を構築する。
式(IB)で表されるCoII/CoIIIレドックス対は、式中zが2である式(I)で表されるCoII/CoIIIレドックス対であり、このようにして式(Ia)および(Ib)、式中、置換基R、R’、yおよびmは同一であるかまたは異なっており、上に記載されるように定義される、におけるアニオン[BH(CN)を構築する。
本発明の一態様において、上に記載される、式(I)で表される好ましい化合物は、式中R、R’、y、mおよびnが本明細書中に記載される意味を有する、式(IA)で表される化合物に相当する、式中zが1である化合物である。
それゆえ本発明の一態様において、式(I)で表される好ましいCoII/CoIIIレドックス対は、式中R、R’、yおよびmが本明細書中に記載される意味を有する、式(IA)で表されるCoII/CoIIIレドックス対である。
本発明のもう1つの態様において、上に記載される、式(I)で表される好ましい化合物は、式中R、R’、y、mおよびnが本明細書中に記載される意味を有する、式(IB)で表される化合物に相当する、式中zが2である化合物である。
それゆえ本発明の一態様において、式(I)で表される好ましいCoII/CoIIIレドックス対は、式中R、R’、yおよびmが本明細書中に記載される意味を有する、式(IB)で表されるCoII/CoIIIレドックス対である。
式中R、R’、y、mおよびnが本明細書に記載される意味を有する、式(IA)で表される化合物が、式(I)で表されるとくに好ましい化合物である。
式中R、R’、yおよびmが本明細書に記載される意味を有する、式(IA)で表されるCoII/CoIIIレドックス対が、式(I)で表されるとくに好ましいCoII/CoIIIレドックス対である。
式(I)、(IA)および(IB)で表される化合物における、または式(I)、(IA)および(IB)で表されるCoII/CoIIIレドックス対におけるRはそれぞれ独立して好ましくは、1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、OR’もしくは(CH−COOR’、ここでmおよびR’または該アルキル基は前に記載されるまたは前に好ましく記載される意味を有する、を示す。
式(I)、(IA)および(IB)で表される化合物におけるRはそれぞれ独立して好ましくは、1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基または(CH−COOR’、このときnは2であり、およびここで(CH−COOR’、mおよびR’または該アルキル基は前に記載されるまたは前に好ましく記載される意味を有する、を示す。
式(I)、(IA)および(IB)で表される化合物におけるRはそれぞれ独立して好ましくは、1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、OR’または(CH−COOR’、このときnは3でありおよび(CH−COOR’、mおよびR’または該アルキル基は前に記載されるまたは前に好ましく記載される意味を有する、を示す。
式(I)、(IA)および(IB)で表される化合物におけるRはそれぞれ独立してとくに好ましくは、1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、ここで該アルキル基は前に記載されるまたは前に好ましく記載される意味を有する、を示す。
式(I)、(IA)および(IB)で表される化合物であって、式中yが0または1である該化合物が好ましい。yが1である場合において、それぞれの置換基Rは独立して好ましくは、ピリジン環のN原子に対してメタ位またはパラ位にある。yが1である場合において、それぞれの置換基Rはとくに好ましくは、ピリジン環のN原子に対してパラ位にある。
それゆえ、式中yが0または1である、式(I)、(IA)および(IB)で表されるCoII/CoIIIレドックス対が好ましい。yが1である場合において、それぞれの置換基Rは独立して好ましくは、ピリジン環のN原子に対してメタ位またはパラ位にある。yが1である場合において、それぞれの置換基Rはとくに好ましくは、ピリジン環のN原子に対してパラ位にある。
式(I)、(IA)および(IB)で表される化合物であって、式中yが0である該化合物がとくに好ましい。
それゆえ、式中yが0である、式(I)、(IA)および(IB)で表されるCoII/CoIIIレドックス対が、とくに好ましい。
式(I)で表される化合物の例は、以下の化合物である:
式(I)で表されるCoII/CoIIIレドックス対の例は、以下の混合物である:
I−A1、およびI−A2、I−A4、I−A6、I−A8、I−A10、I−A12、I−A14、I−A16、I−A18、I−A20、I−A22、I−A24、I−A26、I−A28、I−A30、I−A32、I−A34、I−A36から選択される1種の化合物;I−A1を好ましくはI−A2と混合する。
I−A3、およびI−A2、I−A4、I−A6、I−A8、I−A10、I−A12、I−A14、I−A16、I−A18、I−A20、I−A22、I−A24、I−A26、I−A28、I−A30、I−A32、I−A34、I−A36から選択される1種の化合物;I−A3を好ましくはI−A4と混合する。
I−A5、およびI−A2、I−A4、I−A6、I−A8、I−A10、I−A12、I−A14、I−A16、I−A18、I−A20、I−A22、I−A24、I−A26、I−A28、I−A30、I−A32、I−A34、I−A36から選択される1種の化合物;I−A5を好ましくはI−A6と混合する、
I−A7、およびI−A2、I−A4、I−A6、I−A8、I−A10、I−A12、I−A14、I−A16、I−A18、I−A20、I−A22、I−A24、I−A26、I−A28、I−A30、I−A32、I−A34、I−A36から選択される1種;I−A7を好ましくはI−A8と混合する、
I−A9、およびI−A2、I−A4、I−A6、I−A8、I−A10、I−A12、I−A14、I−A16、I−A18、I−A20、I−A22、I−A24、I−A26、I−A28、I−A30、I−A32、I−A34、I−A36から選択される1種;I−A9を好ましくはI−A10と混合する、
I−A11、およびI−A2、I−A4、I−A6、I−A8、I−A10、I−A12、I−A14、I−A16、I−A18、I−A20、I−A22、I−A24、I−A26、I−A28、I−A30、I−A32、I−A34、I−A36から選択される1種;I−A11を好ましくはI−A12と混合する、
I−A13、およびI−A2、I−A4、I−A6、I−A8、I−A10、I−A12、I−A14、I−A16、I−A18、I−A20、I−A22、I−A24、I−A26、I−A28、I−A30、I−A32、I−A34、I−A36; I−A13から選択される1種;I−A13を好ましくはI−A14と混合する、
I−A15、およびI−A2、I−A4、I−A6、I−A8、I−A10、I−A12、I−A14、I−A16、I−A18、I−A20、I−A22、I−A24、I−A26、I−A28、I−A30、I−A32、I−A34、I−A36から選択される1種;I−A15を好ましくはI−A16と混合する、
I−A17、およびI−A2、I−A4、I−A6、I−A8、I−A10、I−A12、I−A14、I−A16、I−A18、I−A20、I−A22、I−A24、I−A26、I−A28、I−A30、I−A32、I−A34、I−A36から選択される1種;I−A17を好ましくはI−A18と混合する、
I−A19、およびI−A2、I−A4、I−A6、I−A8、I−A10、I−A12、I−A14、I−A16、I−A18、I−A20、I−A22、I−A24、I−A26、I−A28、I−A30、I−A32、I−A34、I−A36から選択される1種;I−A19を好ましくはI−A20と混合する、
I−A21、およびI−A2、I−A4、I−A6、I−A8、I−A10、I−A12、I−A14、I−A16、I−A18、I−A20、I−A22、I−A24、I−A26、I−A28、I−A30、I−A32、I−A34、I−A36から選択される1種;I−A21を好ましくはI−A22と混合する、
I−A23、およびI−A2、I−A4、I−A6、I−A8、I−A10、I−A12、I−A14、I−A16、I−A18、I−A20、I−A22、I−A24、I−A26、I−A28、I−A30、I−A32、I−A34、I−A36から選択される1種;I−A23を好ましくはI−A24と混合する、
I−A25、およびI−A2、I−A4、I−A6、I−A8、I−A10、I−A12、I−A14、I−A16、I−A18、I−A20、I−A22、I−A24、I−A26、I−A28、I−A30、I−A32、I−A34、I−A36から選択される1種;I−A25を好ましくはI−A26と混合する、
I−A27、およびI−A2、I−A4、I−A6、I−A8、I−A10、I−A12、I−A14、I−A16、I−A18、I−A20、I−A22、I−A24、I−A26、I−A28、I−A30、I−A32、I−A34、I−A36から選択される1種;I−A27を好ましくはI−A28と混合する、
I−A29、およびI−A2、I−A4、I−A6、I−A8、I−A10、I−A12、I−A14、I−A16、I−A18、I−A20、I−A22、I−A24、I−A26、I−A28、I−A30、I−A32、I−A34、I−A36から選択される1種;I−A29を好ましくはI−A30と混合する、
I−A31、およびI−A2、I−A4、I−A6、I−A8、I−A10、I−A12、I−A14、I−A16、I−A18、I−A20、I−A22、I−A24、I−A26、I−A28、I−A30、I−A32、I−A34、I−A36から選択される1種;I−A31を好ましくはI−A32と混合する、
I−A33、およびI−A2、I−A4、I−A6、I−A8、I−A10、I−A12、I−A14、I−A16、I−A18、I−A20、I−A22、I−A24、I−A26、I−A28、I−A30、I−A32、I−A34、I−A36から選択される1種;I−A33を好ましくはI−A34と混合する、
I−A35、およびI−A2、I−A4、I−A6、I−A8、I−A10、I−A12、I−A14、I−A16、I−A18、I−A20、I−A22、I−A24、I−A26、I−A28、I−A30、I−A32、I−A34、I−A36から選択される1種;I−A35を好ましくはI−A36と混合する、
I−B1、およびI−B2、I−B4、I−B6、I−B8、I−B10、I−B12、I−B14、I−B16、I−B18、I−B20、I−B22、I−B24、I−B26、I−B28、I−B30、I−B32、I−B34、I−B36から選択される1種;I−B1を好ましくはI−B2と混合する、
I−B3、およびI−B2、I−B4、I−B6、I−B8、I−B10、I−B12、I−B14、I−B16、I−B18、I−B20、I−B22、I−B24、I−B26、I−B28、I−B30、I−B32、I−B34、I−B36から選択される1種;I−B3を好ましくはI−B4と混合する、
I−B5、およびI−B2、I−B4、I−B6、I−B8、I−B10、I−B12、I−B14、I−B16、I−B18、I−B20、I−B22、I−B24、I−B26、I−B28、I−B30、I−B32、I−B34、I−B36から選択される1種;I−B5を好ましくはI−B6と混合する、
I−B7、およびI−B2、I−B4、I−B6、I−B8、I−B10、I−B12、I−B14、I−B16、I−B18、I−B20、I−B22、I−B24、I−B26、I−B28、I−B30、I−B32、I−B34、I−B36から選択される1種;I−B7を好ましくはI−B8と混合する、
I−B9、およびI−B2、I−B4、I−B6、I−B8、I−B10、I−B12、I−B14、I−B16、I−B18、I−B20、I−B22、I−B24、I−B26、I−B28、I−B30、I−B32、I−B34、I−B36から選択される1種;I−B9を好ましくはI−B10と混合する、
I−B11、およびI−B2、I−B4、I−B6、I−B8、I−B10、I−B12、I−B14、I−B16、I−B18、I−B20、I−B22、I−B24、I−B26、I−B28、I−B30、I−B32、I−B34、I−B36から選択される1種;I−B11を好ましくはI−B12と混合する、
I−B13、およびI−B2、I−B4、I−B6、I−B8、I−B10、I−B12、I−B14、I−B16、I−B18、I−B20、I−B22、I−B24、I−B26、I−B28、I−B30、I−B32、I−B34、I−B36から選択される1種;I−B13を好ましくはI−B14と混合する、
I−B15、およびI−B2、I−B4、I−B6、I−B8、I−B10、I−B12、I−B14、I−B16、I−B18、I−B20、I−B22、I−B24、I−B26、I−B28、I−B30、I−B32、I−B34、I−B36から選択される1種;I−B15を好ましくはI−B16と混合する、
I−B17、およびI−B2、I−B4、I−B6、I−B8、I−B10、I−B12、I−B14、I−B16、I−B18、I−B20、I−B22、I−B24、I−B26、I−B28、I−B30、I−B32、I−B34、I−B36から選択される1種;I−B17を好ましくはI−B18と混合する、
I−B19、およびI−B2、I−B4、I−B6、I−B8、I−B10、I−B12、I−B14、I−B16、I−B18、I−B20、I−B22、I−B24、I−B26、I−B28、I−B30、I−B32、I−B34、I−B36から選択される1種;I−B19を好ましくはI−B20と混合する、
I−B21、およびI−B2、I−B4、I−B6、I−B8、I−B10、I−B12、I−B14、I−B16、I−B18、I−B20、I−B22、I−B24、I−B26、I−B28、I−B30、I−B32、I−B34、I−B36から選択される1種;I−B21を好ましくはI−B22と混合する、
I−B23、およびI−B2、I−B4、I−B6、I−B8、I−B10、I−B12、I−B14、I−B16、I−B18、I−B20、I−B22、I−B24、I−B26、I−B28、I−B30、I−B32、I−B34、I−B36から選択される1種;I−B23を好ましくはI−B24と混合する、
I−B25、およびI−B2、I−B4、I−B6、I−B8、I−B10、I−B12、I−B14、I−B16、I−B18、I−B20、I−B22、I−B24、I−B26、I−B28、I−B30、I−B32、I−B34、I−B36から選択される1種;I−B25を好ましくはI−B26と混合する、
I−B27、およびI−B2、I−B4、I−B6、I−B8、I−B10、I−B12、I−B14、I−B16、I−B18、I−B20、I−B22、I−B24、I−B26、I−B28、I−B30、I−B32、I−B34、I−B36から選択される1種;I−B27好ましくはI−B28と混合する、
I−B29、およびI−B2、I−B4、I−B6、I−B8、I−B10、I−B12、I−B14、I−B16、I−B18、I−B20、I−B22、I−B24、I−B26、I−B28、I−B30、I−B32、I−B34、I−B36から選択される1種;I−B29を好ましくはI−B30と混合する、
I−B31、およびI−B2、I−B4、I−B6、I−B8、I−B10、I−B12、I−B14、I−B16、I−B18、I−B20、I−B22、I−B24、I−B26、I−B28、I−B30、I−B32、I−B34、I−B36から選択される1種;I−B31を好ましくはI−B32と混合する、
I−B33、およびI−B2、I−B4、I−B6、I−B8、I−B10、I−B12、I−B14、I−B16、I−B18、I−B20、I−B22、I−B24、I−B26、I−B28、I−B30、I−B32、I−B34、I−B36から選択される1種;I−B33を好ましくはI−B34と混合する、
I−B35、およびI−B2、I−B4、I−B6、I−B8、I−B10、I−B12、I−B14、I−B16、I−B18、I−B20、I−B22、I−B24、I−B26、I−B28、I−B30、I−B32、I−B34、I−B36ら選択される1種;I−B35を好ましくはI−B36と混合する、
式(I)で表される化合物であって式中nが2である該化合物は、式(II)
Kt [BH(CN)4−z] (II)、
式中
zは、1または2であり、および
Ktはアルカリ金属カチオンである
で表される化合物と、二塩化コバルトまたはその水和物と、および少なくとも3当量の式III
式中
yはそれぞれ独立して、0、1、2、3または4であり、
Rはそれぞれ独立して、ハロゲン、CN、CF、OR’、(CH−COOR’、1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキニル基であり、
ここで置換基(CH−COOR’内の2つまたは3つ以上の隣接するCH基は任意に、(−CH=CH−)で置き換えられていることができ、
mは、0〜20の数であり、および
R’は、Hまたは1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキニル基である
で表されるビピリジンとの反応により合成される。
式(I)で表される化合物であって、式中nが3である該化合物は、式(II)
Kt [BH(CN)4−z] (II)
式中
zは、1または2であり、および
Ktは、アルカリ金属カチオンである
で表される化合物と、二塩化コバルトまたはその水和物と、および少なくとも3価の式III
式中
yはそれぞれ独立して、0、1、2、3または4であり、
Rはそれぞれ独立して、ハロゲン、CN、CF、OR’、(CH−COOR’、1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基であり、
ここで、置換基(CH−COOR’内の2つまたは3つ以上の隣接するCH基は任意に(−CH=CH−)で置き換えられていることができ、
mは、0〜20の整数であり、および
R’は、Hまたは1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキニル基である、
で表されるビピリジンとの、酸化剤(oxidant)の存在下での反応により合成することができる。
酸化剤または酸化性物質(oxidizer)は、塩素ガス、臭素、水性NaOClまたはHから選択され得る。塩素ガスまたはNaOClを使用するのが好ましい。
式(II)で表される化合物は好ましくは、カリウムまたはナトリウム塩、とくに好ましくはカリウム塩である。
式中zが1である式(II)で表されるアルカリ金属塩(式II−A)
[Kt] [BH(CN)] (II−A)
は、アルカリ金属テトラシアノホウ酸塩[Me][B(CN)]をアルカリ金属[Me]と反応させ、
式中[Me]は該アルカリ金属[Me]と異なるまたは同一であるアルカリ金属カチオンを示す、
式(IV)
{[Me][B(CN)2− (IV)
式中[Me]は該アルカリ金属のアルカリ金属カチオンを示す
で表される化合物を形成せしめ、次いで先の反応から生じた式(IV)で表される化合物をプロトン化することにより、合成することができる。
アルカリ金属テトラシアノホウ酸は、WO 2004/072089により、とくに例1〜3に開示されるように、合成することができる。
アルカリ金属は、商業的に利用可能な材料である。
[Meは好ましくはKまたはNa、とくに好ましくはKである。[Me]は好ましくはリチウム、ナトリウム、カリウムまたはそれらの混合物、とくに好ましくはナトリウムである。
式(II−A)で表される化合物であって式中[Kt]が上に記載されるアルカリ金属カチオンである該化合物の製造方法は、液体アンモニア中で、またはアルカリ金属に不活性な有機溶媒、例えばテトラヒドロフラン、ジアルキルエーテルまたはアミドに基づく溶媒において実行される。反応が有機溶媒において進行するなら、いくつかの触媒、例えばベンゾフェノンの適用により進行を加速させることができ、式(IV)で表される化合物の収率を改善することができる。
有用なアミド溶媒は、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−メチルピロリドンまたはHMPT(ヘキサメチルリントリアミド)である。
液体アンモニアをおよそ−78℃の温度で濃縮し、反応混合物を不活性雰囲気、例えば窒素またはアルゴンで−50℃〜−30℃の温度へと加温し、次いで10℃〜30℃へと加温し、アンモニアを蒸発させる。
ステップ2におけるプロトン化は好ましくは、15℃〜30℃の温度で、好ましくは室温で、無機塩基、例えばアルカリ金属のカルボン酸塩または酢酸塩、または有機塩基、好ましくはトリアルキルアミンの、不存在下または存在下で、水中において実行する。ステップ2におけるプロトン化のために、水に加えて、任意のプロトン源、例えばアルコール類、カルボン酸類、鉱酸、三級アンモニウム塩、例えば[RNH Cl]、式中Rはそれぞれ独立して1〜4個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基である、または[NHCl]を使用することができる。
式(II−A)で表される化合物を、有機溶媒での抽出により精製するのが好ましい。
有用な有機溶媒は例えば、アセトニトリル、ジメトキシエタン、ジグライム、テトラヒドロフラン、またはメチル−tert−ブチルエーテルである。
式中zが2である式(II)で表されるアルカリ金属塩(式(II−B))
[Kt] [BH(CN)] (II−B)
は、Zhang Y. and Shreeve J.M. Angew. Chem. 2011, 123, 965-967;Spielvogel B.F. et al, Inorg. Chem. 1984, 23, 3262-3265;Das M.K. et al, Bull. Chem. Soc. Jpn., 63, 1281-1283, 1990およびB. Gyoeri et al, Journal of Organometallic Chemistry, 255, 1983, 17-28に記載される既知の方法に従ってまたは基づいて合成し得る。
式(II−B)で表される化合物であって式中[Kt]がNaである該化合物は加えて、テトラヒドリドホウ酸ナトリウムの、アルキル基が独立して1〜4個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基を示すトリアルキルシリルシアニドとの反応により、とても単純な様式で製造することができる。
この方法は、空気中で、好ましくは乾燥雰囲気、例えば乾燥空気、窒素およびアルゴン下で実行することができ、または有機溶媒中で、または1つの出発材料が反応温度において液体なら有機溶媒の欠如において、10℃〜200℃の温度で実行し得る。
有用な有機溶媒は例えば、アセトニトリル、ジメトキシエタン、ジグライム、テトラヒドロフラン、またはメチル−tert−ブチルエーテルである。
テトラヒロリドホウ酸ナトリウムおよびトリメチルシリルシアニドは、商業的に利用可能である。
コバルト二塩化物またはその水和物および式(III)
式中
yは独立して、0、1、2、3または4であり、
Rは互いに独立して、ハロゲン、CN、CF、OR’、(CH−COOR’、1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキニル基であり、
ここで置換基(CH−COOR’内の2つまたは3つ以上の隣接するCH基は任意に(−CH=CH−)で置き換えられていることができ、
mは、0〜20の数であり、および
R’は、Hまたは1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキニル基である、
で表されるビピリジンは、商業的に利用可能であるか、または"Organikum", 2001, WILEY-VCH, Weinheim; R.C. Larock, "Comprehensive Organic Transformations, A Guide to Functional Group Preparations", Second Edition, 1999, WILEY-VCH, N.Y. Chichester, Weinheimに記載の当技術分野において既知の方法により合成することができる。
式(I)で表される化合物であって式中nが2または3である該化合物の合成は、水、または水および有機溶媒、好ましくは水およびメタノールの混合物中で実行され、好ましい反応温度は室温である。
それゆえ、本発明はまたは式(I)で表される化合物であって式中nが2である該化合物の製造方法であって、式(II)
Kt[BH(CN)4−z] (II)、
式中
zは、1または3であり、および
Ktは、アルカリ金属カチオンである、
で表される化合物の、コバルト二塩化物またはその水和物との、および式(III)
式中、
yはそれぞれ独立して、0、1、2、3または4であり、
Rはそれぞれ独立して、ハロゲン、CN、CF、OR’、(CH−COOR’、1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子をゆする直鎖もしくは分枝のアルキニル基であり、
ここで置換基(CH−COOR’内の2つまたは3つ以上の隣接するCH基は任意に(−CH=CH−)で置き換えられていることができ、
mは、0〜20の数であり、および
R’は、Hまたは1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキニル基である、
で表される少なくとも3当量のビピリジンとの反応を含む該方法に関する。
加えて、本発明はまた、式(I)で表される化合物であって式中nが3である該化合物の製造方法であって、式(II)
Kt[BH(CN)4−z] (II)、式中、
zは、1または2であり、および
Ktは、アルカリ金属カチオンである、
で表される化合物の、コバルト二塩化物またはその水和物との、および式III
式中、
yは独立して、0、1、2、3または4であり、
Rはそれぞれ独立して、ハロゲン、CN、CF、OR’、(CH−COOR’、1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキニル基であり、
ここで置換基(CH−COOR’内の2つまたは3つ以上の隣接するCH基は(−CH=CH−)で任意に置き換えられていることができ、
mは、0〜20の数であり、
R’は、Hまたは1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有するアルキニル基である、
で表される少なくとも3当量のビピリジンとの酸化剤の存在における、反応を含む該方法に関する。
式(I)で表される化合物、とくには本発明による前に説明した式(I)で表されるCoII/CoIIIレドックス対は好ましくは、電気化学および/または光電子デバイスにおいて、とくに電解質配合体において用いられる。
それゆえ本発明はさらに、上に記載されたまたは本明細書中に好ましく記載される式(I)で表される少なくとも1種の化合物を含む電解質配合体に関する。
式(I)で表される少なくとも2種の化合物、前に記載され、式(I)で表されるCoII/CoIIIレドックス対と定義される、式(Ia)に対応する一方の化合物および式(Ib)に対応する他方の化合物を含むのが好ましい。
それゆえ本発明はさらに、上に記載されるまたは本明細書中に好ましく記載される、式(I)、(IA)または(IB)で表される少なくとも1種のCoII/CoIIIレドックス対を含む電解質配合体に関する。
前に記載されるまたは好ましく記載される式(I)、(IA)または(IB)で表される少なくとも1種の化合物を含む、または上に記載されるまたは前に好ましく記載される式(I)、(IA)または(IB)で表される少なくとも1種のCoII/CoIIIレドックス対を含む電解質配合体は好ましくは、電気化学および/または光電子デバイス、例えば光起電電池、発光デバイス、エレクトロクロミックまたは光エレクトロクロミックデバイス、電気化学センサーおよび/またはバイオセンサーにおいて用いることができる。
本発明による電解質配合体は好ましくは、光起電電池において、好ましくは色素増感太陽電池において用いることができる。
かかる電解質配合体は開示されるデバイスの重大な部分を形成し、該デバイスの性能は、これらの電解質のさまざまな構成要素の物性および化学的性質に大いに依存する。
本発明による電解質配合体は、既知の電解質配合体の代替物である。これらは、他のアニオンを有する既知のCoII/CoIIIレドックス対と比較して、色素増感太陽電池の電解質配合体の分野において、DSSCのより良好な性能を示す。本発明によるDSSCは、より高度な短絡電流密度(Isc)およびより良好な太陽光電力変換効率(PCE、η)を示す。
化学において、電解質は、物質を導電性にする遊離イオンを含有する任意の物質である。ほとんどの典型的な電解質はイオン溶液であるが、溶融電解質および固体電解質もまた可能である。
それゆえ本発明による電解質配合体は、基本的には、溶解状態でまたは溶融状態で存在する少なくとも1種の物質の存在のおかげで、導電性媒体であり、イオン種への解離を受ける、つまりイオン種の運動を経て導電性を支持する。しかし、かかる導電性は、色素増感太陽電池の電解質の役割に主要な関連性はないかもしれない。それゆえ、本発明の範囲は、高伝導性電解質媒体には限定されない。
用語電解質は、電解質配合体に関して開示される全ての原料もまた含む用語電解質配合体に対しても用いられ得る。
電解質配合体は該必須および任意成分を含み(include)得るかまたは含み(comprise)得、該必須および任意成分から本質的になり、またはからなる。調製物において用いることができる全ての化合物または構成要素は、公知かつ商業的に利用可能であるか、または公知のまたは既に記載された方法により合成できるかのいずれかである。
電解質配合体における上に記載される式(I)、(IA)または(IB)で表される少なくとも1種の化合物の典型的なモル濃度は、0.01M〜0.5M、好ましくは0.05M〜0.3Mにわたる。電解質におけるこのモル濃度は、式(I)、(IA)または(IB)で表される1種または2種以上の化合物を以って達成され得る。
一般的に、式(I)、(IA)または(IB)で表される少なくとも1種の化合物であって式中nが2である該化合物のモル濃度が0.1〜0.3Mにわたることが好ましい。
一般的に、式(I)、(IA)または(IB)で表される少なくとも1種の化合物であって式中nが2である該化合物のモル濃度は0.1〜0.3M、好ましくは0.2〜0.25Mにわたり、式(I)、(IA)または(IB)で表される少なくとも1種の化合物であって式中nが3である該化合物のモル濃度が0.01〜0.1M、好ましくは0.04〜0.05Mにわたることが好ましい。
本発明の目的に対し、モル濃度は25℃での濃度に言及する。
本電解質配合体はさらに、さらなるレドックス活性種、たとえばヨウ化物/3ヨウ化物、フェロセン誘導体またはCo(II)/Co(III)錯塩、例えばCo(II)/Co(III)(dbbip)、ここでdbbipは2,6−ビス(1’−ブチルベンズイミダゾール−2’−イル)ピリジンを意味する、を含み得、対アニオンはパークロラート、フルオロパーフルオロアルキルフォスファート、たとえばパーフルオロエチルペンタフルオロフォスファート、または(フルオロ)シアノボラート、とくにテトラシアノボラートのいずれかである。
電解質配合体の他の構成要素は、以下にさらに示される、1種または数種のさらなる塩、例えばイオン液体、溶媒、および他の添加剤である。
本発明の電解質配合体は有機溶媒を含む、および/または1種または2種以上のイオン液体を含む。
有機溶媒は、文献に開示されるものから選択され得る。好ましくは、溶媒は、存在するなら、160℃より高い、より好ましくは190℃より高い沸点を有し、例えば炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ブチレン、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、グルタロニトリル、アジポニトリル、N−メチルオキサゾリジノン、N−メチルピロリジノン、N,N’−ジメチルイミダゾリジノン、N、N’−ジメチルアセトアミド、環状尿素、好ましくは1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノンまたは1,3−ジメチル−3,4,5,6−テトラヒドロ−2(1H)−ピリミジノン、グリム、好ましくはテトラグリム、スルホラン、スルホン、例えば(プロパン−2−スルホニル)−ベンゼン、2−エタンスルホニル−ブタン、2−(2−メトキシエタンスルホニル)−プロパン、2−(プロパン−2−スルホニル)−ブタン、3−メチルスルホラン、ジメチルスルホキシド、トリメチルホスファートおよびメトキシ置換ニトリルである。他の有用な溶媒は、アセトニトリル、ベンゾニトリルおよびまたはバレロニトリルである。
溶媒が電荷質配合体に存在するなら、ゲル化剤としてポリマーがさらに含まれていてもよく、ここで該ポリマーはフッ素化ポリビニリレン、ポリビニリレン−ヘキサフルオロプロピレン、ポリビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、ナフィロン、酸化ポリエチレン、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリロニトリル、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンである。これらのポリマーを電解質配合体に添加する目的は、液体電解質を半固体または固体電解質とし、ひいてはとくに経時において、溶媒残留を改善するためである。
本発明の一態様において、本発明による電解質配合体は、単に有機溶媒およびさらに添加剤、例えばリチウム塩、チオシアン酸グアニジン、または古典的な添加剤、例えば非共有電子対を有さない窒素原子を含有する化合物、例えばN−アルキルベンズイミダゾールまたはアルキルピリジンおよび3〜6のpKaを有する塩基を含む。
リチウム塩は、テトラフッ素化ホウ酸リチウム、パー塩素化リチウム、チオシアン酸リチウム、テトラシアノホウ酸リチウム、トリフッ素化メタンスルホン酸リチウム、6フッ素化リン酸リチウム、トリス(パーフッ素化アルキル)3フッ素化リン酸リチウム、ビス(パーフッ素化アルキル)4フッ素化リン酸リチウム、モノ(パーフッ素化アルキル)5フッ素化リン酸リチウムまたはパーフッ素化アルキルフッ素化ホウ酸リチウムの群から選択され得、ここでパーフッ素化アルキル基はそれぞれ独立して、1〜10個のC原子、好ましくは2〜4個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のパーフッ素化アルキル基である。
本発明のもう1つの態様において、本発明による電解質配合体は、50%より少なく有機溶媒を含み、さらに溶媒としてイオン液体を含む。好ましくは、電解質配合体は、40%より少なく、より好ましくは30%より少ない、なおより好ましくは20%より少ない、および10%より少なくでさえ、有機溶媒を含む。最も好ましくは、電解質配合体は、5%より少ない有機溶媒を含む。例えば、実質的に有機溶媒がない。パーセンテージは、重量%に基づいて示される。
イオン液体またはイオン塩は、有機カチオンおよび一般的な無機アニオンからなるイオン種である。これらはいかなる中性分子をも含有せず、通常は373Kより低い融点を有する。
好ましいイオン液体は、4級窒素を含む有機カチオンと、Br、Cl、多ハロゲン化物イオン、フルオロアルカンスルホン酸、フルオロアルカンカルボン酸、トリス(フルオロアルキルスルホニル)メチド、ビス(フルオロアルキルスルホニル)イミド、ビス(フルオロスルホニル)イミド、硝酸、ヘキサフルオロリン酸、トリス、ビスおよびモノ(フルオロアルキル)フルオロリン酸、テトラフルオロホウ酸、ジシアナミド、トリシアノメチド、テトラシアノホウ酸、モノフルオロトリシアノホウ酸、ジフルオロジシアノホウ酸、パーフルオロアルキルフルオロホウ酸、パーフルオロアルキルフルオロシアノホウ酸、チオシアン酸、アルキルスルホン酸またはアルキル硫酸から選択されるアニオンとを、1〜20個のC原子を有するフルオロアルカン鎖、1〜20個のC原子を有する、好ましくはパーフッ素化されたフルオロアルキルおよび1〜20個のC原子を有するアルキルとともに有する。フルオロアルカン鎖またはフルオロアルキルは、好ましくはパーフッ素化されている。
好ましいイオン液体は加えて、本明細書中に記載される式(I)で表される少なくとも1種の化合物に対して定義される同一のアニオン[BH(CN)4−zを有する。
とくに好ましいイオン液体は、1,1−ジアルキルピロリジニウムカチオンの群から選択されるカチオン、例えば、1,1−ジメチルピロリジニウム、1−メチル−1−エチルピロリジニウム、1−メチル−1−プロピルピロリジニウム、1−メチル−1−ブチルピロリジニウム、1−メチル−1−ペンチルピロリジニウム、1−メチル−1−ヘキシルピロリジニウム、1−メチル−1−ヘプチルピロリジニウム、1−メチル−1−オクチルピロリジニウム、1−メチル−1−ノニルピロリジニウム、1−メチル−1−デシルピロリジニウム、1,1−ジエチルピロリジニウム、1−エチル−1−プロピルピロリジニウム、1−エチル−1−ブチルピロリジニウム、1−エチル−1−ペンチルピロリジニウム、1−エチル−1−ヘキシルピロリジニウム、1−エチル−1−ヘプチルピロリジニウム、1−エチル−1−オクチルピロリジニウム、1−エチル−1−ノニルピロリジニウム、1−エチル−1−デシルピロリジニウム、1,1−ジプロピルピロリジニウム、1−プロピル−1−メチルピロリジニウム、1−プロピル−1−ブチルピロリジニウム、1−プロピル−1−ペンチルピロリジニウム、1−プロピル−1−ヘキシルピロリジニウム、1−プロピル−1−ヘプチルピロリジニウム、1−プロピル−1−オクチルピロリジニウム、1−プロピル−1−ノニルピロリジニウム、1−プロピル−1−デシルピロリジニウム、1,1−ジブチルピロリジニウム、1−ブチル−1−メチルピロリジニウム、1−ブチル−1−ペンチルピロリジニウム、1−ブチル−1−ヘキシルピロリジニウム、1−ブチル−1−ヘプチルピロリジニウム、1−ブチル−1−オクチルピロリジニウム、1−ブチル−1−ノニルピロリジニウム、1−ブチル−1−デシルピロリジニウム、1,1−ジペンチルピロリジニウム、1−ペンチル−1−ヘキシルピロリジニウム、1−ペンチル−1−ヘプチルピロリジニウム、1−ペンチル−1−オクチルピロリジニウム、1−ペンチル−1−ノニルピロリジニウム、1−ペンチル−1−デシルピロリジニウム、1,1−ジヘキシルピロリジニウム、1−ヘキシル−1−ヘプチルピロリジニウム、1−ヘキシル−1−オクチルピロリジニウム、1−ヘキシル−1−ノニルピロリジニウム、1−ヘキシル−1−デシルピロリジニウム、1,1−ジヘキシルピロリジニウム、1−ヘキシル−1−ヘプチルピロリジニウム、1−ヘキシル−1−オクチルピロリジニウム、1−ヘキシル−1−ノニルピロリジニウム、1−ヘキシル−1−デシルピロリジニウム、1,1−ジヘプチルピロリジニウム、1−ヘプチル−1−オクチルピロリジニウム、1−ヘプチル−1−ノニルピロリジニウム、1−ヘプチル−1−デシルピロリジニウム、1,1−ジオクチルピロリジニウム、1−オクチル−1−ノニルピロリジニウム、1−オクチル−1−デシルピロリジニウム、1,1−ジノニルピロリジニウム、1−ノニル−1−デシルピロリジニウムまたは1,1−ジデシルピロリジニウムを含む。
とてもとくに好ましいのは、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムまたは1−プロピル−1−メチルピロリジニウム、1−アルキル−1−アルコキシアルキルピロリジニウムカチオン、例えば、1−メトキシメチル−1−メチル−ピロリジニウム、1−メトキシメチル−1−エチル−ピロリジニウム、1−(2−メトキシエチル)−1−メチルピロリジニウム、1−(2−メトキシエチル)−1−エチルピロリジニウム、1−(2−メトキシエチル)−1−プロピルピロリジニウム、1−(2−メトキシエチル)−1−ブチルピロリジニウム、1−(2−エトキシエチル)−1−メチルピロリジニウム、1−エトキシメチル−1−メチルピロリジニウム、1−エトキシメチル−1−エチル−ピロリジニウムである。
とてもとくに好ましいのは、1−(2−メトキシエチル)−1−メチルピロリジニウム、1,3−ジアルキルイミダゾリウムカチオン、例えば1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウム、1,2,3−トリメチルイミダゾリウム、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−プロピル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム、1−メチル−3−ペンチルイミダゾリウム、1−エチル−3−プロピルイミダゾリウム、1−ブチル−3−エチルイミダゾリウム、1−エチル−3−ペンチルイミダゾリウム、1−ブチル−3−プロピルイミダゾリウム、1,3−ジメチルイミダゾリウム、1,3−ジエチルイミダゾリウム、1,3−ジプロピルイミダゾリウム、1,3−ジブチルイミダゾリウム、1,3−ジペンチルイミダゾリウム、1,3−ジヘキシルイミダゾリウム、1,3−ジヘプチルイミダゾリウム、1,3−ジオクチルイミダゾリウム、1,3−ジノニルイミダゾリウム、1,3−ジデシルイミダゾリウム、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウム、1−ヘプチル−3−メチルイミダゾリウム、1−メチル−3−オクチルイミダゾリウム、1−メチル−3−ノニルイミダゾリウム、1−デシル−3−メチルイミダゾリウム、1−エチル−3−ヘキシルイミダゾリウム、1−エチル−3−ヘプチルイミダゾリウム、1−エチル−3−オクチルイミダゾリウム、1−エチル−3−ノニルイミダゾリウムまたは1−デシル−3−エチルイミダゾリウムである。
とくに好ましいカチオンは、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムまたは1−メチル−3−プロピルイミダゾリウム、1−アルコキシアルキル−3−アルキルイミダゾリウムカチオン、例えば1−メトキシメチル−3−メチルイミダゾリウム、1−メトキシメチル−3−エチルイミダゾリウム、1−メトキシメチル−3−ブチルイミダゾリウム、1−(2−メトキシエチル)−3−メチルイミダゾリウム、1−(2−メトキシエチル)−3−エチルイミダゾリウム、1−(2−メトキシエチル)−3−プロピルイミダゾリウム、1−(2−メトキシエチル)−3−ブチルイミダゾリウム、1−(2−エトキシエチル)−3−メチルイミダゾリウム、1−エトキシメチル−3−メチルイミダゾリウム、および1−アルケニル−3−アルキルイミダゾリウムカチオン、例えば1−アリル−3−メチル−イミダゾリウムまたは1−アリル−2,3−ジメチルイミダゾリウムであり、およびアニオンは前に記載されるように選択される。
好ましくは、イオン液体は、上に記載されるカチオンおよびチオシアン酸、テトラシアノホウ酸、モノフルオロトリシアノホウ酸、ジフルオロジシアノホウ酸、パーフルオロアルキルホウ酸、パーフルオロアルキルフルオロシアノホウ酸などのアニオン、または式[BH(CN)4−z、式中zは式(I)、(IA)または(IB)で表される化合物に対して記載される意味を有する、で表されるアニオンを含む塩から選択される。
本発明の電解質配合体はさらに、SiO,TiO、Al、MgOまたはZnOなどの金属酸化物ナノ粒子を含み得、例えばこれはまた固体性、ひいては溶媒残留を増加させることができる。
もう1つの態様において、本発明の電解質配合体はさらに、非共有電子対を有する窒素原子を含有する少なくとも1種の化合物を含む。かかる化合物の例はEP 0 986 079 A2において、2頁40〜55行に開始して、再び3頁14行から7頁54行にわたって見出され、これは明示的に参照により本明細書中に組み入れる。非共有電子対を有する化合物の好ましい例は、イミダゾールおよびその誘導体、とくにベンズイミダゾールおよびその誘導体を含む。
本発明の電解質配合体は、多くの用途を有する。例えばこれは、光電子および/または電気化学デバイス、例えば光起電電池、発光デバイス、エレクトロクロミックまたは光エレクトロクロミックデバイス、電気化学センサーおよび/またはバイオセンサーにおいて用いられ得る。
それゆえ本発明はさらに、第1および第2の電極および、該第1および第2の電極の間に、前に記載されるまたは詳細に好ましく記載される式(I)で表される少なくとも1種の化合物または式(IA)または(IB)で表される少なくとも1種の化合物を含む電荷輸送層を含む、電気化学および/または光電子デバイスに関する。
それゆえ本発明はさらに、第1および第2の電極および、該第1および第2の電極の間に、前に記載されるまたは好ましくは詳細に記載される式(I)で表される少なくとも1種のCoII/CoIIIレドックス対または前に記載されるまたは好ましくは詳細に記載される式(IA)または(IB)で表される少なくとも1種のCoII/CoIIIレドックス対を含む電荷輸送層を含む、電気化学および/または光電子デバイスに関する。
好ましくは、本発明によるデバイスは、光電子変換デバイス、好ましくは光起電電池、とくに好ましくは色素増感太陽電池または固体型色素増感太陽電池である。
好ましくは、本発明によるデバイスの電荷輸送層は有機溶媒を含むか、および/または1種または2種以上のイオン液体を含む。
有機溶媒およびイオン液体は、前に詳細に記載されている。
本発明によるデバイスの電荷輸送層は、本発明の一態様において、前に記載されるかまたは好ましくは詳細に記載される本発明による電解質配合体であるか、または換言すると該電荷輸送層は溶媒および/またはイオン液体ベースの電解質または固体電解質、好ましくは溶媒および/またはイオン液体ベースの電解質である。
それゆえ、本発明は加えて、式(I)、(IA)または(IB)で表される少なくとも1種の化合物が電解質配合体に含有される電気化学および/または光電子デバイスに関し、または換言すると、該電気化学および/または光電子デバイスは前に記載されるおよび好ましく記載される本発明による電解質配合体を含む。
本発明のもう1つの態様によると、前に記載されるまたは好ましく記載される式(I)、(IA)または(IB)で表される少なくとも1種の化合物は、本発明によるデバイスの電荷輸送層を構築する電荷輸送材料におけるドーパントとして用いることができる。該電荷輸送材料は好ましくは、電子および/または正孔が、荷電分子の拡散のかわりに、電子運動により移動する、有機の、導電性の電荷輸送材料である。かかる導電性層は、例えば、ポリマーを含めての、有機化合物に基づく。
それゆえ電荷輸送層は、電子および/または正孔伝導性材料であり得る。前に記載されるまたは好ましく記載される式(I)、(IA)または(IB)で表される少なくとも1種の化合物は、トリアリールアミンベースの正孔導体に有用なドーパントである。
前に記載されるまたは好ましく記載される式(I)、(IA)または(IB)で表される少なくとも1種の化合物であって、式中nが3である該化合物は、トリアリールアミンベースの正孔導体に有用なp型ドーパントである。
トリアリールアミンベースの正孔導体は、業界において公知である。1つの重要な正孔導体は、spiro−MeOTADとしても公知の、2,2’,7,7’−テトラキス(N,N−ジ−p−メトキシフェニル−アミン)9,9’−スピロフルオレンである。
それゆえ、本発明は加えて、前に記載されるかまたは好ましく記載される式(I)、(IA)または(IB)で表される少なくとも1種の化合物であって、式中nが3である該化合物の、トリアリールアミンベースの正孔導体のための、好ましくはspiro−MeOTADのための、p型ドーパントとしての使用に関する。
加えて、本発明は、前に記載されるかまたは好ましく記載される電気化学デバイスおよび/または光電子デバイスの製造方法であって、以下のステップ:
− 第1のおよび第2の電極を提供すること;
− 電荷輸送層を提供すること、
該電荷輸送層に式(I)、式中z、y、R、mおよびR’は前に記載されるかまたは好ましく記載される意味を有する、で表される化合物を添加すること
を含む該方法に関する。
好ましくは、本発明は前に記載されるかまたは好ましく記載される電気化学デバイスおよび/または光電子デバイスの製造方法であって、以下のステップ:
− 第1のおよび第2の電極を提供すること;
− 電荷輸送層を提供すること、
− 該電荷輸送層に式(I)、式中y、R、mおよびR’は同一であるかまたは異なって前に記載されるかまたは好ましく記載されるとおりである、で表される少なくとも1種のCoII/CoIIIレドックス対を添加すること
を含む該方法に関する。
色素増感太陽電池は、例えば、US 6,861,722に開示されている。色素増感太陽電池において、色素を用いて太陽光を吸収し、電気エネルギーへと変換する。増感色素の選択に関しては、LUMOエネルギー状態が増感されるべき光電極の伝導帯端のわずかに上である限り、自体制限はない。色素の例はNanoenergy, de Souza, Flavio Leandro, Leite, Edson Roberto (Eds.), Springer, ISBN 978-3-642-31736-1, pages 58 to 74に開示され、黒色色素はUS 8,383,553に記載され、または色素はEP 0 986 079 A2、EP 1 180 774 A2またはEP 1 507 307 A1に開示されている。
好ましい色素は有機色素、例えばMK−1、MK−2またはMK−3(この構造はN. Koumura et al, J.Am.Chem.Soc. Vol 128, no.44, 2006, 14256-14257の図1に記載されている)、WO 2012/001033の4頁に記載されるD29、WO 2012/001033の4頁に記載されるD35、D102(CAS番号 652145−28−3)、D−149(CAS番号 786643−20−7)、D205(CAS番号 936336−21−9)、D358(CAS番号 1207638−53−6)、T. Bessho et al, Angew. Chem. Int. Ed. Vol 49, 37, 6646-6649, 2010に記載されているYD−2、Y123(CAS番号 1312465−92−1)など、ビピリジン−ルテニウム色素、例えばN3(CAS番号 141460−19−7)、N719(CAS番号 207347−46−4)、Z907(CAS番号 502693−09−6)、C101(CAS番号 1048964−93−7)、C106(CAS番号 1152310−69−4)、K19(CAS番号 847665−45−6)、HRS−1(CAS番号 906061−30−1、K.J. Jiang et al, Chem. Comm. 2460, 2006に開示されている)などまたはターピリジン−ルテニウム色素、例えばN749(CAS番号 359415−47−7)などである。
D205の構造は、
である。
D358の構造は、
である。
とくに好ましい色素は、ともに両親媒性ルテニウム増感剤であるZ907またはZ907Na、D29、D35、Y123、C106、D358またはHRS−1である。色素Z907Naは、NaRu(2,2’−ビピリジン−4−カルボン酸−4’−カルボキシラート)(4,4’−ジノニル−2,2’−ビピリジン)(NCS)を意味する。
とても注目すべき色素は、D358である。
例えば、色素増感太陽電池は、光電極、対電極および、該光電極と該対電極との間に、電解質配合体または電荷輸送材料を含み、ここで増感色素は、対電極に面する側の、光電極の表面上に吸着されている。
本発明によるデバイスの好ましい態様によると、これは半導体、上に記載される電解質配合体および対電極を含む。
本発明の好ましい態様によると、半導体はSi、TiO、SnO、Fe、WO、ZnO、Nb、CdS、ZnS、PbS、Bi、CdSe、GaP、InP、GaAs、CdTe、CuInS、および/またはCuInSeの群から選択される材料に基づく。好ましくは、半導体はメソ多孔表面を含み、それゆえ任意に色素により被覆されてかつ電解質と接触する表面を増加させる。好ましくは、半導体はガラス支持体もしくはプラスチックまたは金属ホイール上に存在する。好ましくは、支持体は伝導性である。
本発明のデバイスは好ましくは、対電極を含む。例えば、Ptで覆われた、ガラス上のフッ素ドープの酸化スズまたはスズドープの酸化インジウム(それぞれ、FTOガラスまたはITOガラス)、好ましくは伝導性同素体の、炭素、ポリアニリンまたはポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)である。金属物質、例えばステンレス鋼またはチタンシートが、ガラスに加えて、可能な物質である。
電荷輸送層が溶媒および/またはイオン液体ベースの電解質配合体である本発明のデバイスは、先行技術の対応するデバイスのように、単純に電解質を本発明の電解質配合体と置き換えることにより製造し得る。例えば、色素増感太陽電池の場合、デバイスアセンブリは数々の特許文献、例えばWO 91/16719(例34および35)、ならびに科学文献、例えばBarbe, C.J., Arendse, F., Comte, P., Jirousek, M., Lenzmann, F., Shklover, V., Graetzel, M. J. Am. Ceram. Soc. 1997, 80, 3157;およびWang, P., Zakeeruddin, S. M., Comte, P., Charvet, R., Humphry-Baker, R., Graetzel, M. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 14336において開示されている。
好ましくは増感半導体材料は、光アノードとしての役割をする。好ましくは、対電極はカソードである。
本発明はまた、本発明の電解質配合体を半導体の表面に接触させるステップを含む光電子セルの製造方法であって、該表面が任意に増感剤により被覆されている該方法を提供する。好ましくは、半導体は上に与えられる材料から選択され、増感剤は好ましくは上に開示される色素から選択される。
好ましくは、電解質配合体は単純に、半導体上へと注ぎられ得る。好ましくは、既に対電極を含む、それ以外は完成したデバイスに、対電極中の正孔を介してセルの内部ルーメンに真空を作り出し、Wang et al., J. Phys. Chem. B 2003, 107, 14336の参考文献に開示される電解質配合体を添加することにより適用する。
今ここで、本発明が以下の実施例の様式により、その範囲を限定することなく説明されるであろう。さらなる言及がなかったとしても、当業者は上の記載を最も広汎な範囲で利用できるであろうことが想定される。それゆえ好ましい態様および実施例は、いかようにも絶対的には限定することのない説明的開示として単に考えられるべきであろう。
例:
物質は、RamanおよびNMR分光法およびX線回析により特徴付けされる。NMRスペクトルは、重水素ロックを有するBruker Avance III Spektrometerを用いて重水素化溶媒CDCN中で測定される。異種核に対する共鳴周波数は:H:400,17MHz、11B:128,39MHzおよび13C:100,61MHzである。以下の基準物質が用いられる:Hおよび13Cスペクトルに対してTMS、および11Bスペクトルに対してBF・EtO。
サイクリックボルタモグラムを、ESA EE047ガラス状炭素作用電極(内径:3mm;電気化学的有効面積:7.1mm)、Pt対電極(Pt−wire、φ0.5mm、57mm長)およびRE−7非水性基準電極Ag/Ag(CHCN中の0.01mAgNO)を備える5mlガラスセル中で測定する。全ての測定は、溶媒としてのアセトニトリル中で実行する。CHCN中の濃度0.1mol/Lでの、ヘキサフルオロリン酸テトラブチルアンモニウム、[TBA][PF]を、支持電解質として用いる。全ての測定における試験物質(Co錯体)の濃度は1・10−3mol・Lである。セル中の溶液の容量は4mlである。基準物質はデカメチルフェロセン(E=−0.423V)である。酸化/還元電位およびEの値は、Ag/Ag(CHCN中の0.01M AgNO)基準電極に相対して与えられる。以下のデータが報告される:EpC(カソードピーク);EpA(アノードピーク);E − 可逆性レドックス対Co+2/Co+3に関する標準電位。
定電位電解装置Autolab PGSTAT30(Fa. Metrom)を、サイクリックボルタモグラムの記録に用いる。走査速度は15mV・s−1である。
以下の実施例において、bipyは:
を意味する。
例1:
A) [Co(bipy)][BH(CN)の合成
2K[BH(CN)]+3bipy+CoCl・6HO→[Co(bipy)][BH(CN)+2KCl+6H
10mlの水に溶解させた2.35g(9.88mmol)CoCl・6HOおよび25mLのメタノール中の4.64g(29.72mmol)bipyを、ともに混合する。反応混合物は直ちに濃茶色となる。10分後に2.56g(19.85mmol)K[BH(CN)]の20mlの水中の溶液を、反応混合物に添加する。生成物が直ちに黄色固体として沈殿する。それをろ別し、20mlの水でおよび2回50mlのEtOで洗浄する。生成物を真空で、室温で乾燥させる。収量は6.167g(88%)である。追加量の生成物がやがて(in time)、母溶液から沈殿する。
生成物の構造、[Co(bipy)][BH(CN)を、X線回析により確認する。
サイクリックボルタンメトリー:
pA=0.070V;E Co+2/Co+3=0.040V(可逆性レドックス対)。
B) [Co(bipy)][BH(CN)の合成
3K[BH(CN)]+3bipy+CoCl・6HO+Cl→[Co(bipy)][BH(CN)+3KCl
10mlの水に溶解させた1.194g(5.018mmol)CoCl・6HOを、16mLのメタノール中の2.364g(15.14mmol)bipyの溶液とともに混合する。反応混合物は直ちに、濃茶色となる。10分後に、Clガスを反応混合物に20分間バブリングする。溶液は鮮明になる。塩素のバブリングは、溶液の色がもはや変化しなくなったあとに終了する。Clの残留を真空下で除去し、15mlの水に溶解させた1.946g(15.90mmol)K[BH(CN)]を反応混合物に添加する。黄色固体が30分以内に溶液から沈殿する。それを濾別し、15mlの水でおよび2回50mLのEtOで洗浄する。生成物を真空で、室温で乾燥させる。収量は3.00g(75%)である。追加量の生成物がやがて、母溶液から沈殿する。
生成物の構造、[Co(bipy)][BH(CN)を、NMRスペクトルにより確認する。
サイクリックボルタンメトリー:
pC=−0.020V;E Co+3/Co+2=0.045V(可逆性レドックス対)。
例2:
A) [Co(bipy)][BH(CN)の合成
2Na[BH(CN)]+3bipy+CoCl・6HO→[Co(bipy)][BH(CN)+2NaCl
10mlの水に溶解させた2.533g(10.65mmol)CoCl・6HOを、16mLのメタノール中の4.955g(31.98mmol)bipyの溶液とともに混合する。反応混合物は直ちに、濃茶色となる。10分後、8mLの水中の1.910g(21.70mmol)Na[BH(CN)]の溶液を、反応混合物に添加する。生成物が直ちに、黄色固体で沈殿する。それを濾別し、20mlの水でおよび2回50mLのEtOで洗浄する。生成物を真空、室温で乾燥させる。収量は5.725g(80%)である。追加量の生成物がやがて、母溶液から沈殿する。生成物の構造、[Co(bipy)][BH(CN)を、NMRスペクトルにより確認する。
サイクリックボルタンメトリー:
pA=0.070V;E Co+2/Co+3=0.040V(可逆性レドックス対)。
B) [Co(bipy)][BH(CN)の合成
3Na[BH(CN)]+3bipy+COCl・6HO+Cl→[Co(bipy)][BH(CN)+3NaCl
10mlの水に溶解させた1.333g(5.60mmol)CoCl・6HOを16mLのメタノール中の2.621g(16.78mmol)bipyの溶液とともに混合する。反応混合物は直ちに、濃茶色となる。10分後に、Clガスを反応混合液に20分間バブリングさせる。溶液は鮮明になる。塩素のバブリングは、溶液の色がもはや変化しなくなったあとに終了する。Clの残留を真空下で除去し、10mLの水に溶解させた1.477g(16.81mmol)Na[BH(CN)]を反応混合物に添加する。黄色固体が1日以内に溶液から沈殿する。それをろ別し、10mLの水でおよび2回50mLのEtOで洗浄する。生成物を真空、室温で乾燥させる。収量は3.052g(76%)である。追加量(0.68g、0.94mmol、17%)の生成物がやがて、母溶液から沈殿する。
生成物、[Co(bipy)][BH(CN)の構造を、NMRスペクトルにより確認する。
サイクリックボルタンメトリー:
pC=−0.020V;E Co+3/Co+2=0.050V(可逆性レドックス対)。
例A:
二重層、メソ孔質TiO電極を、Wang P. et al., J. Phys. Chem. B 2003, 107, 14336、特に14337頁に開示されるようにして製造し、二重層構造からなる光アノードを得る。透明ナノ孔質TiO電極を製造するために、テルピネオール溶媒および30nm径を有するアナターゼ相のナノ粒子状TiOを含有するスクリーン印刷ペーストを、透明導電性基板上に、5mm×5mmの正方形形状へと、スクリーンプリンターを用いることにより堆積させた。ペーストを10分間、摂氏120度で乾燥させた。そして400nm径を有するTiOを含有するもう1つのスクリーン印刷ペーストをナノ孔質層の最上部に堆積させ、不透明な層を製造する。そして二重層膜を摂氏500度で1時間焼結し、その結果として下層の透明層(14ミクロン厚)および最上部の不透明層(8ミクロン厚)が得られる。焼結後、電極を40mMのTiCl(Merck)の溶液中に30分間摂氏70度で浸し、そして素早く純水で十分にすすいだ。このようにしてTiCl処理した電極を、色素増感直前に、摂氏500度で30分間乾燥させた。電極をアセトニトリル(Merck HPLCグレード)およびtert−ブチルアルコール(Merck)、v:v=1:1の0.3mM D358色素溶液に、60時間、摂氏19度で浸漬した。対電極を、上の参考文献に開示されるように、熱分解法で製造した。5mMの白金酸(Merck)の液滴を8μl/cmで投じ、導電性基板上で乾燥させた。色素増感太陽電池を、30ミクロン厚Bynel(DuPont、USA)熱溶融性膜を用いることにより、加熱により封入して組み立てた。内部空間を本明細書に記載される電解質配合体で満たし、対応するデバイスを製造した。
色素D358は、インドリン色素である。ここで用いられる電解質は、以下の表1において示される、式中nが2である式(I)で表される200mMコバルト錯塩、以下の表1において示される、式中nが3である式(I)で表される40mMコバルト錯塩、21mM LiBFおよび150mM N−ブチルベンズイミダゾールの、アセトニトリル溶液である。
正確な光強度レベルを得るために、エアマス1.5グローバル(AM1.5G)シミュレート太陽光を、Seigo Ito et al. "Calibration of solar simulator for evaluation of dye-sensitized solar cells" Solar Energy Materials & Solar Cells 82 (2004) 421に従ってスペクトル的に較正した。光電流−電圧曲線の測定は、1Sun照明下で25℃へと冷却した黒色板上に配置したデバイスに対して実行する。4mm×4mmの光マスクを製造したデバイスの上に配置し、光投射領域を規定する。エネルギー変換効率は一般的には、調節可能な抵抗負荷を用いて電力出力を最適化することにより決定される、エネルギー項における、エネルギー変換機の有効出力と光照射の入力との間の比率である。
表1は、結果をまとめる:
JSC =短絡回路電流、VOC=開回路電圧、FF=曲線因子
η=電力変換効率

Claims (15)

  1. 式(I)
    式中、
    zは、1または2であり、
    nは、2または3であり、
    yはそれぞれ独立して、0、1、2、3または4であり、
    Rはそれぞれ独立して、ハロゲン、CN、CF、OR’、(CH−COOR’、1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキニル基、ここで置換基(CH−COOR’内の2つまたは3つ以上の隣接するCH基は任意に(−CH=CH−)で置き換えられていることができる、であり、
    mは、0〜20の数であり、および
    R’は、Hまたは1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキニル基である、
    で表される化合物。
  2. 式中Rがそれぞれ独立して、1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基または(CH−COOR’であり、ここで該置換基(CH−COOR’内の2つまたは3つ以上の隣接するCH基は任意に(−CH=CH−)で置き換えられていることができる、請求項1に記載の化合物。
  3. yが0または1である、請求項1または2に記載の化合物。
  4. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の式(I)、式中nが2である、で表される化合物の製造方法であって、式(II)
    Kt[BH(CN)4−z] (II)、
    式中、
    zは、1または2であり、および
    Ktはアルカリ金属カチオンである、
    で表される化合物と、コバルト二塩化物またはその水和物と、および少なくとも3当量の式(III)
    式中、
    yはそれぞれ独立して、0、1、2、3または4であり、
    Rはそれぞれ独立して、ハロゲン、CN、CF、OR’(CH−COOR’、1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキニル基であり、
    ここで該置換基(CH−COOR’内の2つまたは3つ以上の隣接するCH基は、任意に(−CH=CH−)で置き換えられていることができ、
    mは、0〜20の数であり、および
    R’は、Hまたは1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキニル基である、
    で表されるビピリジンとの反応を含む、前記方法。
  5. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の式(I)、式中nが3である、で表される化合物の製造方法であって、式(II)
    Kt[BH(CN)4−z] (II)、
    式中、
    zは、1または2であり、および
    Ktは、アルカリ金属カチオンである、
    で表される化合物と、コバルト二塩化物またはその水和物と、および少なくとも3当量の式(III)
    式中、
    yはそれぞれ独立して、0、1、2、3または4であり、
    Rはそれぞれ独立して、ハロゲン、CN、CF、OR’、(CH−COOR’、1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキニル基であり、
    ここで該置換基(CH−COOR’内の2つまたは3つ以上の隣接するCH基は、任意に(−CH=CH−)で置き換えられていることができ、
    mは、0〜20の数であり、および
    R’は、Hまたは1〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキル基、2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルケニル基または2〜20個のC原子を有する直鎖もしくは分枝のアルキニル基である、
    で表されるビピリジンとの、酸化剤の存在下での反応を含む、前記方法。
  6. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の式(I)で表される少なくとも1種の化合物を含む電解質配合体。
  7. 式(I)で表される少なくとも1種の化合物を、0.01M〜0.5Mの、好ましくは0.05M〜0.3Mの濃度で含む、請求項6に記載の電解質配合体。
  8. 第1および第2の電極および、該第1および第2の電極の間に、請求項1〜3のいずれか一項に記載の式(I)で表される少なくとも1種の化合物を含む電荷輸送層を含む、電気化学および/または光電子デバイス。
  9. 第1および第2の電極および、該第1および第2の電極の間に、式(I)、式中y、R、mおよびR’は同一であるかまたは異なっており、かつ請求項1〜3のいずれか一項に定義される、で表される少なくとも1種のCoII/CoIIIレドックス対を含む電荷輸送層を含む、電気化学および/または光電子デバイス。
  10. 光電子変換デバイス、好ましくは色素増感太陽電池または固体型色素増感太陽電池である、請求項8または9に記載のデバイス。
  11. 電荷輸送層が有機溶媒を含むおよび/または1種または2種以上のイオン液体を含む、請求項8〜10のいずれか一項に記載のデバイス。
  12. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の式(I)で表される少なくとも1種の化合物が電解質溶液に含有される、請求項8〜11のいずれか一項に記載のデバイス。
  13. 請求項1〜3のいずれか一項に化合物であって式中nが3である該化合物の、トリアリールアミンベースの正孔導体のためのp型ドーパントとしての使用。
  14. 請求項8〜12のいずれか一項に記載の電気化学デバイスの製造方法であって、以下のステップ:
    − 第1および第2の電極を提供すること;
    − 電荷輸送層を提供すること、
    − 該電荷輸送層に、請求項1〜3のいずれか一項に記載の少なくとも1種の式(I)で表される化合物を添加すること、
    を含む、前記方法。
  15. 請求項9〜12のいずれか一項に記載の電気化学デバイスの製造方法であって、以下のステップ:
    − 第1および第2の電極を提供すること、
    − 電荷輸送層を提供すること、
    該電荷輸送層に、式(I)、式中y、R、mおよびR’は同一であるかまたは異なっており、かつ請求項1〜3のいずれか一項に記載されるとおりである、で表される少なくとも1種のCoII/CoIIIレドックス対を添加すること、
    を含む、前記方法。
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