JP4169220B2 - Photoelectric conversion element - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光電変換素子に関し、詳しくは色素で増感された半導体微粒子を用いた光電変換素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
光電変換素子は各種の光センサー、複写機、光発電装置に用いられている。光電変換素子には金属を用いたもの、半導体を用いたもの、有機顔料や色素を用いたもの、あるいはこれらを組み合わせたものなどの様々な方式が実用化されている。
米国特許4927721号、4684537号、5084365号、5350644号、5463057号、5525440号、および特開平7−249790号明細書には、色素によって増感された半導体微粒子を用いた光電変換素子(以後、色素増感光電変換素子と略す)、もしくはこれを作成するための材料および製造技術が開示されている。この方式の第一の利点は二酸化チタン等の安価な酸化物半導体を高純度に精製することなく用いる事ができるため、比較的安価な光電変換素子を提供できる点にある。第二の利点は用いられる色素の吸収がブロードなため、可視光線のほぼ全ての波長領域の光を電気に変換できる事である。これらの特徴は太陽エネルギーを電気に変換する事を目的とした光電変換素子(いわゆる光化学電池)に応用する際に有利であることから、この方面への応用が活発に検討されている。
【0003】
色素増感光電変換素子の改良が求められる点の一つに増感色素として高価なルテニウム錯体色素を用いる事が挙げられ、安価な有機色素によって増感される光電変換素子の開発が望まれていた。この際問題となるのは有機色素と酸化物半導体との親和性が通常あまり強くないことであった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は二酸化チタンとの親和性の高い有機色素を用いることによって、安価かつ高い変換効率を有する色素増感光電変換素子を提供する事である。
【0005】
【課題を解決するための手段】
研究の結果、以下に示す光電変換素子が本発明の目的に適う事を突き止めた。
1.下記一般式(I)で表されるポリメチン色素によって増感された、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、又は酸化タングステンの微粒子を用いる事を特徴とする光電変換素子。一般式(I)
【0006】
【化4】
【0007】
式中、X1 は、縮環してもよい5員もしくは6員ヘテロ環を完成するために必要な原子群を表し、X1 はさらに置換基を有していてもよい。L1 、L2 、L3 およびL4 はそれぞれ独立に置換基を有していてもよいメチン基を表す。n1 は0または1を表し、R1 は置換基を有していてもよい芳香族基または置換基を有していてもよい脂肪族基を表す。n2 は0から4までの整数であり、X2 は5員もしくは6員の含窒素ヘテロ環を完成するために必要な原子群を表す。Lは連結基を表し、Yは酸素原子またはNR2 であり、R2 は水素原子または置換基を有していてもよい芳香族基または置換基を有していてもよい脂肪族基である。n3 は0または1を表す。W1 は電荷を中和させるのに対イオンが必要な場合の対イオンを表す。Aは酸素原子、硫黄原子、セレン原子または一般式(II)または一般式(III)で表される置換基である。
一般式(II)
【0008】
【化5】
【0009】
式中、L5 、L6 、L7 、L8 およびL9 はL1 と同義である。n4 はn2 と同義であり、n5 はn1 と同義である。X3 はX1 と同義で、R3 はR1 と同義である。
一般式(III)
【0010】
【化6】
【0011】
式中、L10、L11はL1 と同義である。n6 はn2 と同義である。D1 およびD1 ′は酸性核を形成するのに必要な原子群を表す。
2.一般式(I)においてn3 が0であることを特徴とする(1)に記載の光電変換素子。
3.一般式(I)において、n3 が0でありかつn1 とn2 の和が2以上5以下の整数であることを特徴とする(1)に記載の光電変換素子。
4.一般式(I)において、n3 が0でありかつn1 とn2 の和が2以上5以下の整数で、かつまたX2 で形成される含窒素へテロ環が3−アルキルローダニンまたは2−チオバルビツール酸であることを特徴とする、一般式(I)で表される化合物。
5.上記1、2、3または4の光電変換素子を用いる事を特徴とする光化学電池。
以下に本発明に使用する一般式(I)について詳細に説明する。
【0012】
式中、X1 は、縮環してもよい5員もしくは6員ヘテロ環を完成するために必要な原子群を表し、X1 はさらに置換基を有していてもよい。
1 で完成されるヘテロ環の好ましい例としては、ベンゾチアゾール核、ベンゾオキサゾール核、ベンゾセレナゾール核、ベンゾテルラゾール核、キノリン核、ベンゾイミダゾール核、チアゾリン核、インドレニン核、オキサジアゾール核、チアゾール核、イミダゾール核が挙げられるが、さらに好ましくはベンゾチアゾール核、ベンゾオキサゾール核、ベンズイミダゾール核、ベンゾセレナゾール核、キノリン核、インドレニン核であり、特に好ましくはベンゾチアゾール核、キノリン核である。環上の置換基としては、ハロゲン(F、Cl、Br、I)、シアノ、アルコキシ(メトキシ、エトキシ、メトキシエトキシなど)、アリーロキシ(フェノキシなど)、アルキル(メチル、エチル、シクロプロピル、シクロへキシル、トリフルオロメチル、メトキシエチル、アリル、ベンジルなど)、アルキルチオ(メチルチオ、エチルチオなど)、アルケニル(ビニル、1−プロペニルなど)、アリール(フェニル、チエニル、トルイル、クロロフェニルなど)などが挙げられる。
【0013】
1 、L2 、L3 およびL4 はそれぞれ独立に置換基を有していてもよいメチン基を表す。置換基としては、置換もしくは無置換のアルキル基(好ましくは炭素原子数1ないし12、さらに好ましくは1ないし7のものであり、例えばメチル、エチル、プロピル、イソプロピル、シクロプロピル、ブチル、2−カルボキシエチル、ベンジルなど)、置換もしくは無置換のアリール基(好ましくは炭素原子数6ないし10、さらに好ましくは6ないし8のものであり、例えば、フェニル、トルイル、クロロフェニル、o−カルボキシフェニル)、複素環基(例えば、ピリジル、チエニル、フラニル、ピリジル、バルビツール酸)、ハロゲン原子(例えば、塩素、臭素)、アルコキシ基(例えば、メトキシ、エトキシ)、アミノ基(好ましくは炭素原子数1ないし12、さらに好ましくは6ないし12のものであり、例えば、ジフェニルアミノ、メチルフェニルアミノ、4−アセチルピペラジン−1−イル)、オキソ基などが挙げられる。これらのメチン基上の基は互いに連結してシクロペンテン環、シクロヘキセン環などの環を形成してもよく、あるいは助色団と環を形成することもできる。
【0014】
1 は置換基を有していてもよい芳香族基または置換基を有していてもよい脂肪族基を表す。芳香族基の炭素原子数は好ましくは1ないし16、さらに好ましくは5ないし6である。脂肪族基の炭素原子数は好ましくは1ないし10、さらに好ましくは1ないし6である。無置換の脂肪族基、芳香族基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、フェニル基、ナフチル基等が挙げられる。
【0015】
1 は0または1、n2 は0から4までの整数であり、好ましくはn1 とn2 の和は2から5までの整数である。
【0016】
2 は5員もしくは6員の含窒素ヘテロ環を完成するために必要な原子群を表す。好ましくは次の核が挙げられる。
2−ピラゾリン−5−オン、ピラゾリジン−3,5−ジオン、イミダゾリン−5−オン、ヒダントイン、2または4−チオヒダントイン、2−イミノオキサゾリジン−4−オン、2−オキサゾリン−5−オン、2−チオオキサゾリジン−2,4−ジオン、イソオキサゾリン−5−オン、2−チアゾリン−4−オン、チアゾリジン−4−オン、チアゾリジン−2,4−ジオン、ローダニン、チアゾリジン−2,4−ジチオン、イソローダニン、インダン−1,3−ジオン、チオフェン−3−オン、チオフェン−3−オン−1,1−ジオキシド、インドリン−2−オン、インドリン−3−オン、インダゾリン−3−オン、2−オキソインダゾリニウム、3−オキソインダゾリニウム、5,7−ジオキソ−6,7−ジヒドロチアゾロ〔3,2−a〕ピリミジン、シクロヘキサン−1,3−ジオン、3,4−ジヒドロイソキノリン−4−オン、1,3−ジオキサン−4,4−ジオン、バルビツール酸、2−チオバルビツール酸、クロマン−2,4−ジオン、インダゾリン−2−オン、またはピリド〔1,2−a〕ピリミジン−1,3−ジオン、ピラゾロ〔1,5−b〕キナゾロン、ピラゾロ〔1,5−b〕ベンズイミダゾール、1,2,3,4−テトラヒドロキノリン−2,4−ジオン、3−オキソ−2,3−ジヒドロベンゾ〔d〕チオフェン−1,1−ジオキシド、3−ジシアノメチン−2,3−ジヒドロベンゾ〔d〕チオフェン−1,1−ジオキシドの核。
さらに好ましくは、3−アルキルローダニン、3−アルキル−2−チオオキサゾリジン−2,4−ジオン、3−アルキル−2−チオヒダントイン、2−チオバルビツール酸、特に好ましくは3−アルキルローダニン、2−チオバルビツール酸である。
【0017】
Lは連結基を表し、好ましくは1ないし4原子分の長さの二価の連結基であり、更に置換基を有していてもよい。
【0018】
Yは酸素原子またはNR2 であり、R2 は水素原子または置換基を有していてもよい芳香族基または置換基を有していてもよい脂肪族基である。
【0019】
3 は0または1を表す。n3 として好ましくは0である。
【0020】
1 は電荷を中和させるのに対イオンが必要な場合の対イオンを表す。
ある色素が陽イオン、陰イオンであるか、あるいは正味のイオン電荷を持つかどうかは、その助色団及び、置換基に依存する。置換基が解離性基を有する場合、解離して負電荷を持っても良く、この場合にも分子全体の電荷はW1 によって中和される。典型的な陽イオンは無機または有機のアンモニウムイオン(例えばテトラアルキルアンモニウムイオン、ピリジニウムイオン)およびアルカリ金属イオンであり、一方、陰イオンは具体的に無機陰イオンあるいは有機陰イオンのいずれであってもよく、例えば、ハロゲン陰イオン、(例えば、フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン)、置換アリールスルホン酸イオン(例えば、p−トルエンスルホン酸イオン、p−クロロベンゼンスルホン酸イオン)、アリールジスルホン酸イオン(例えば、1,3−ベンゼンジスルホン酸イオン、1,5−ナフタレンジスルホン酸イオン、2,6−ナフタレンジスルホン酸イオン)、アルキル硫酸イオン(例えば、メチル硫酸イオン)、硫酸イオン、チオシアン酸イオン、過塩素酸イオン、テトラフルオロホウ酸イオン、ピクリン酸イオン、酢酸イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオンが挙げられる。
さらに電荷均衡対イオンとしてイオン性ポリマーあるいは、色素と逆電荷を有する他の色素を用いてもよいし、金属錯イオン(例えば、ビスベンゼン−1,2−ジチオラトニッケル(III) )も可能である。
【0021】
Aは酸素原子、硫黄原子、セレン原子または一般式(II)または一般式(III )で表される置換基である。一般式(II)、(III) 中、L5 、L6 、L7 、L8 、L9 、L10およびL11はL1 と同義である。n4 、n6 はn2 と同義であり、n5 はn1 と同義である。X3 はX1 と同義で、R3 はR1 と同義である。
【0022】
1 およびD1 ′は酸性核を形成するのに必要な原子群を表すが、ここでいう酸性核とは、例えばジェイムス(James)編「ザ・セオリー・オブ・ザ・フォトグラフィック・プロセス」(The Theory of the Photographic Process) 第4版、マクミラン出版社、1977年、198頁により定義される。好ましい形において、D1 およびD2 の共鳴に関与する置換基としては、例えばカルボニル基、シアノ基、スルホニル基、スルフェニル基である。D1 ′およびD2 ′は酸性核を形成するために必要な残りの原子群を表わす。
具体的には、米国特許3,567,719号、3,575,869号、3,804,634号、3,837,862号、4,002,480号、4,925,777号、特開平3−167546号などに記載されているものが挙げられる。D1 とD1 ′、およびD2 とD2 ′が非環式の酸性核を形成するとき、メチン結合の末端はマロノニトリル、アルカンスルフォニルアセトニトリル、シアノメチルベンゾフラニルケトン、またはシアノメチルフェニルケトンのような基である。
1 とD1 ′が環式の酸性核を形成するとき、炭素、窒素、及びカルコゲン(典型的には酸素、イオウ、セレン、及びテルル)原子から成る5員または6員の複素環を形成する。
【0023】
以下に本発明の一般式(I)で表される化合物の具体例を示すが、本発明がこれに限定されるものではない。
【0024】
【化7】
【0025】
【化8】
【0026】
【化9】
【0027】
【化10】
【0028】
【化11】
【0029】
本発明に用いられる一般式(I)で表される化合物の合成は、ドクラディ・アカデミー・ナウーク・SSSR(Dokl. Acad. Nauk SSSR) 、第177 巻、869 頁(1967 年) 、エフ・エム・ハーマー(F. M. Harmer)著「ヘテロサイクリック・コンパウンズ・ダイ・アンド・リレイティド・コンパウンズ (Heterocyclic compounds - Cyanine dyes and related compounds-)」 (ジョン・ウイリー・アンド・サンズ (John Wiley & Sons)社、ニューヨーク・ロンドン、1964年) 、デー・エム・スターマー (D. M. Starmer)著、「ヘテロサイクリック・コンパウンズ−スペシャル・トピックス・イン・ヘテロサイクリック・ケミストリー (Heterocyclic Compounds - Special topics in heterocyclic chemistry)」、482 〜515 頁 (ジョン・ウイリー・アンド・サンズ (John Wiley & Sons)社、ニューヨーク・ロンドン、1977年)、特開昭55−45015号ならびに欧州特許599,381A1号,599,382A1号、599,383A1号,599,384A1号およびこれらの明細書中に引用された文献の記載を参考にして行える。
【0030】
本発明により使用される化合物の合成例を示す。
合成例1
例示化合物(S−1)の合成
化合物(S−1)は下記に示したスキームに従って合成することができる。
【0031】
【化12】
【0032】
(A−1)0.5gと(B−1)0.5g、アセトニトリル10ml中で混合し、トリエチルアミン0.55mlを加え、3時間室温で攪拌する。得られた結晶を吸引ろ過によりろ別して、メタノール−アセトニトリル混合溶媒より再結晶して(S−1)を0.10g得た。
(λmax=605nm(ε=124000)(メタノール中))
【0033】
合成例2
例示化合物(S−13)の合成
化合物(S−13)は下記に示したスキームに従って合成することができる。
【0034】
【化13】
【0035】
(A−2)0.5gと(B−2)1.0g、アセトニトリル10ml中で混合し、トリエチルアミン0.55mlを加え、4時間室温で攪拌する。得られた結晶を吸引ろ過によりろ別して、メタノール−アセトニトリル混合溶媒より再結晶して(S−13)を0.30g得た。
(λmax=625nm(ε=108000)(メタノール中))
【0036】
合成例3
例示化合物(S−21)の合成
化合物(S−21)は下記に示したスキームに従って合成することができる。
【0037】
【化14】
【0038】
(A−3)1.0gと(B−3)1.7g、アセトニトリル20ml中で混合し、トリエチルアミン2.0mlを加え、10分間加熱環流した後さらに1時間室温で攪拌する。得られた結晶を吸引ろ過によりろ別して、メタノール−アセトニトリル混合溶媒より再結晶して(S−21)を0.40g得た。
(λmax=615nm(ε=46500)(メタノール中))
【0039】
次にポリメチン色素を応用した色素増感光電変換素子、および光化学電池について詳しく説明する。色素増感光電変換素子は導電性支持体、および導電性支持体上に塗設されるポリメチン色素の吸着した半導体微粒子の層(感光層)よりなる電極である。感光層は目的に応じて設計され単層構成でも多層構成でもよい。一層の感光層中の色素は一種類でも多種の混合でもよい。感光層に入射した光は色素を励起する。励起色素はエネルギーの高い電子を有しており、この電子が色素から半導体微粒子の伝導帯に渡され、さらに拡散によって導電性支持体に到達する。この時色素分子は酸化体となっているが、電極上の電子が外部回路で仕事をしながら色素酸化体に戻るのが光化学電池であり、色素増感光電変換素子はこの電池の負極として働く。
【0040】
以下導電性支持体、および感光層について詳しく説明する。
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か、または表面に導電剤層を有するガラスもしくはプラスチックの支持体である。後者の場合好ましい導電剤としては金属(例えば白金、金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウム等)、炭素、もしくは導電性の金属酸化物(インジウム−スズ複合酸化物、酸化スズにフッ素をドープしたもの等)が挙げられる。
導電性支持体は表面抵抗が低い程よい。好ましい表面抵抗の範囲としては50Ω/cm2 以下であり、さらに好ましくは10Ω/cm2 以下である。
導電性支持体は実質的に透明である事が好ましい。実質的に透明であるとは光の透過率が10%以上である事を意味し、50%以上である事が好ましく、80%以上が特に好ましい。透明導電性支持体としてはガラスもしくはプラスチックに導電性の金属酸化物を塗設したものが好ましい。透明導電性支持体を用いる場合、光は支持体側から入射させる事が好ましい。
【0041】
半導体微粒子は金属のカルコゲニド(例えば酸化物、硫化物、セレン化物等)またはペロブスカイトの微粒子である。金属のカルコゲニドとしては好ましくはチタン、スズ、亜鉛、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、もしくはタンタルの酸化物、硫化カドミウム、セレン化カドミウム等が挙げられる。ペロブスカイトとしては好ましくはチタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム等が挙げられる。これらのうち本発明の光電変換素子には、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、又は酸化タングステンを用いる
【0042】
半導体微粒子を導電性支持体上に塗設する方法としては、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、半導体微粒子の前駆体を導電性支持体上に塗布し空気中の水分によって加水分解して半導体微粒子膜を得る方法などが挙げられる。半導体微粒子の分散液を作成する方法としては乳鉢ですり潰す方法、ミルを使って粉砕しながら分散する方法、あるい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等が挙げられる。分散媒としては水または各種の有機溶媒(例えばメタノール、エタノール、ジクロロメタン、アセトン、アセトニトリル、酢酸エチル等)が挙げられる。分散の際、必要に応じてポリマー、界面活性剤、酸、もしくはキレート剤などを分散助剤として用いてもよい。
【0043】
半導体微粒子は多くの色素を吸着する事ができるように表面積の大きいものが好ましい。例えば半導体微粒子を支持体上に塗設した状態で、その表面積が投影面積に対して10倍以上である事が好ましく、100倍以上である事がより好ましい。
一般に、半導体微粒子の層の厚みが大きいほど単位面積当たりに担持できる色素の量が増えるため光の吸収効率が高くなるが、発生した電子の拡散距離が増すため電荷再結合によるロスも大きくなる。半導体微粒子層の好ましい厚みは素子の用途によって異なるが、典型的には0.1ミクロン乃至100ミクロンである。光化学電池として用いる場合は1乃至50ミクロンである事が好ましく、3乃至30ミクロンである事がより好ましい。半導体微粒子は支持体に塗布した後に粒子同士を密着させるために焼成してもよい。
【0044】
半導体微粒子に色素を吸着させるには色素溶液の中によく乾燥した半導体微粒子を長時間浸漬する方法が一般的である。色素溶液は必要に応じて50℃ないし100℃に加熱してもよい。色素の吸着は半導体微粒子の塗布前に行っても塗布後に行ってもよい。また、半導体微粒子と色素を同時に塗布して吸着させても良い。未吸着の色素は洗浄によって除去する。塗布膜の焼成を行う場合は色素の吸着は焼成後に行う事が好ましい。焼成後、塗布膜表面に水が吸着する前にすばやく色素を吸着させるのが特に好ましい。吸着する色素は1種類でもよいし、数種混合して用いてもよい。混合する場合、本発明のポリメチン色素同士を混合してもよいし、米国特許4927721号、4684537号、5084365号、5350644号、5463057号、5525440号、および特開平7−249790号明細書に記載の錯体色素と本発明の色素を混合してもよい。用途が光化学電池である場合、光電変換の波長域をできるだけ広くするように混合する色素が選ばれる。
また、会合など色素同士の相互作用を低減する目的で無色の化合物を共吸着させてもよい。共吸着させる疎水性化合物としてはカルボキシル基を有するステロイド化合物(例えばコール酸)等が挙げられる。
【0045】
本発明における半導体微粒子層に対する色素吸着量は、色素の総量として塗布膜の平米あたり0.01〜100mmol であることが好ましく、より好ましくは平米あたり0.1 〜50mmol、さらに好ましくは平米あたり0.5 〜20mmolである。
【0046】
色素を吸着した後にアミン類を用いて半導体微粒子の表面を処理してもよい。好ましいアミン類としてはピリジン、4−tert−ブチルピリジン、ポリビニルピリジン等が挙げられる。これらは液体の場合はそのまま用いてもよいし有機溶媒に溶解して用いてもよい。
【0047】
このようにして作成された色素増感光電変換素子は各種のセンサーや光化学電池に応用する事ができる。光化学電池に応用する場合、電荷移動層と対向電極が必要である。以下、電荷移動層と対向電極について詳しく説明する。
電荷移動層は色素の酸化体に電子を補充する機能を有する層である。代表的な例としては酸化還元対を有機溶媒に溶解した液体、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クスに含浸したいわゆるゲル電解質、酸化還元対を含有する溶融塩などが挙げられる。
酸化還元対としては例えば沃素と沃化物(例えば沃化リチウム、沃化テトラブチルアンモニウム、沃化テトラプロピルアンモニウム等)の組み合わせ、アルキルビオローゲン(例えばメチルビオローゲンクロリド、ヘキシルビオローゲンブロミド、ベンジルビオローゲンテトラフルオロボレート)とその還元体の組み合わせ。ポリヒドロキシベンゼン類(例えばハイドロキノン、ナフトハイドロキノン等)とその酸化体の組み合わせ。2価と3価の鉄錯体(例えば赤血塩と黄血塩)の組み合わせ等が挙げられる。これらのうち沃素と沃化物の組み合わせが好ましい。これらを溶かす有機溶媒としては非プロトン性の極性溶媒(例えばアセトニトリル、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、1,3−ジメチルイミダゾリノン、3−メチルオキサゾリジノン等)が好ましい。ゲル電解質のマトリクスに使用されるポリマーとしては例えばポリアクリロニトリル、ポリビニリデンフルオリド等が挙げられる。溶融塩としては例えば沃化リチウムと他の少なくとも1種類のリチウム塩(例えば酢酸リチウム、過塩素酸リチウム等)にポリエチレンオキシドを混合する事により、室温での流動性を付与したもの等が挙げられる。
酸化還元対は電子のキャリアになるのである程度の濃度が必要である。好ましい濃度としては合計で0.01モル/リットル以上であり、より好ましくは0.1モル/リットルであり、特に好ましくは0.3モル/リットル以上である。
【0048】
対向電極は光化学電池の正極として働くものである。対向電極は通常前述の導電性支持体と同義であるが、強度が十分に保たれるような構成では支持体は必ずしも必要でない。ただし、支持体を有する方が密閉性の点で有利である。
感光層に光が到達するためには、前述の導電性支持体と対向電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。本発明の光化学電池においては、導電性支持体が透明であって太陽光を支持体側から入射させるのが好ましい。この場合対向電極は光を反射する性質を有する事がさらに好ましい。
光化学電池の対向電極としては金属もしくは導電性の酸化物を蒸着したガラス、またはプラスチックが好ましく、白金を蒸着したガラスが特に好ましい。
【0049】
光化学電池では構成物の蒸散を防止するために電池の側面をポリマーや接着剤等で密封する事が好ましい。
【0050】
【実施例】
以下に本発明の色素増感光電変換素子および光化学電池の作成方法について実施例によって具体的に説明するが本発明はこれらに限定されない。
【0051】
二酸化チタン分散液の調製
内側をテフロンコーティングした内容積200mlのステンレス製ベッセルに二酸化チタン(日本アエロジル社 Degussa P-25)15g、水45g、分散剤(アルドリッチ社製、Triton X-100)1g、直径0.5mmのジルコニアビーズ(ニッカトー社製)30gを入れ、サンドグラインダーミル(アイメックス社製)を用いて1500rpm にて2時間分散した。分散物からジルコニアビーズをろ過して除いた。
【0052】
光電変換素子の作成
フッ素をドープした酸化スズをコーティングした導電性ガラス(旭硝子製 TCOガラスを20mm×20mmの大きさに切断加工したもの)の導電面側にガラス棒を用いて上記の分散液を塗布した。この際導電面側の一部(端から3mm)に粘着テープを張ってスペーサーとし、粘着テープが両端に来るようにガラスを並べて一度に8枚づつ塗布した。塗布後、室温にて1日間風乾し、粘着テープを剥した。(粘着テープのついていた部分は光電変換測定の際、計測器と電気的な接触をとるために利用される)次に、このガラスを電気炉(ヤマト科学製マッフル炉FP−32型)に入れ、450℃にて30分間焼成した。ガラスを取り出し冷却した後、表1に示す本発明の色素のエタノール溶液(3×10-4モル/リットル)に3時間浸漬した。色素の染着したガラスを4−tert−ブチルピリジンの10%エタノール溶液に30分間浸漬した後、エタノールで洗浄し自然乾燥させた。
【0053】
光化学電池の作成
上記の光電変換素子をこれと同じ大きさの白金蒸着ガラスと重ねあわせた(光電変換素子の未塗布部分を白金蒸着ガラスに接触させないようにずらしてある)。次に、両ガラスの隙間に毛細管現象を利用して電解液(アセトニトリルとN−メチル−2−オキサゾリジノンの体積比90対10の混合物を溶媒とした沃素0.05モル/リットル、沃化リチウム0.5モル/リットルの溶液)を染み込ませた。
【0054】
光電変換効率の測定
500Wのキセノンランプ(ウシオ製)の光をAM1.5Gフィルター(Oriel 社製)およびシャープカットフィルター(Kenko L-42)を通す事により紫外線を含まない模擬太陽光を発生させた。この光の強度は50mW/cm2 であった。
本発明の光電変換素子にこの光を照射し、発生した電気を電流電圧測定装置(ケースレー238型)にて測定した。これにより求められた光化学電池の開放電圧、短絡電流、形状因子、および変換効率を表1にまとめた。
【0055】
【表1】
【0056】
本発明のいずれの色素も有機色素でありながら高い光電変換特性が認められる。
【0057】
【発明の効果】
本発明により有機色素を用いて高い光電変換特性を有する色素増感光電変換素子が提供された。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoelectric conversion element, and more particularly to a photoelectric conversion element using semiconductor fine particles sensitized with a dye.
[0002]
[Prior art]
Photoelectric conversion elements are used in various optical sensors, copying machines, and photovoltaic power generation devices. Various systems such as those using metals, semiconductors, organic pigments and dyes, or combinations thereof have been put to practical use as photoelectric conversion elements.
U.S. Pat. Nos. 4,927,721, 4,684,537, 5,084,365, 5,350,644, 5,530,57, and 5,525,440, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-249790 include a photoelectric conversion element using semiconductor fine particles sensitized with a dye (hereinafter referred to as a dye). (Abbreviated as a sensitized photoelectric conversion element), or materials and manufacturing techniques for producing the same. The first advantage of this method is that an inexpensive oxide semiconductor such as titanium dioxide can be used without being purified with high purity, and therefore a relatively inexpensive photoelectric conversion element can be provided. The second advantage is that the absorption of the dye used is broad, so that light in almost all wavelength regions of visible light can be converted into electricity. Since these characteristics are advantageous when applied to a photoelectric conversion element (so-called photochemical cell) for the purpose of converting solar energy into electricity, application in this direction is being actively studied.
[0003]
One of the points where improvement of the dye-sensitized photoelectric conversion element is required is to use an expensive ruthenium complex dye as the sensitizing dye, and the development of a photoelectric conversion element sensitized by an inexpensive organic dye is desired. It was. At this time, the problem is that the affinity between the organic dye and the oxide semiconductor is usually not so strong.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a dye-sensitized photoelectric conversion element that is inexpensive and has high conversion efficiency by using an organic dye having high affinity with titanium dioxide.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
As a result of research, it has been found that the photoelectric conversion elements shown below are suitable for the purpose of the present invention.
1. A photoelectric conversion element characterized by using fine particles of titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, or tungsten oxide sensitized with a polymethine dye represented by the following general formula (I). Formula (I)
[0006]
[Formula 4]
[0007]
In the formula, X 1 represents an atomic group necessary for completing a 5-membered or 6-membered heterocyclic ring which may be condensed, and X 1 may further have a substituent. L 1 , L 2 , L 3 and L 4 each independently represents a methine group which may have a substituent. n 1 represents 0 or 1, and R 1 represents an aromatic group which may have a substituent or an aliphatic group which may have a substituent. n 2 is an integer from 0 to 4, and X 2 represents an atomic group necessary for completing a 5-membered or 6-membered nitrogen-containing heterocycle. L represents a linking group, Y represents an oxygen atom or NR 2 , and R 2 represents a hydrogen atom or an aromatic group which may have a substituent or an aliphatic group which may have a substituent. . n 3 represents 0 or 1. W 1 represents a counter ion when a counter ion is required to neutralize the charge. A is an oxygen atom, a sulfur atom, a selenium atom, or a substituent represented by general formula (II) or general formula (III).
Formula (II)
[0008]
[Chemical formula 5]
[0009]
In the formula, L 5 , L 6 , L 7 , L 8 and L 9 are synonymous with L 1 . n 4 has the same meaning as n 2 , and n 5 has the same meaning as n 1 . X 3 has the same meaning as X 1 , and R 3 has the same meaning as R 1 .
General formula (III)
[0010]
[Chemical 6]
[0011]
In the formula, L 10 and L 11 have the same meaning as L 1 . n 6 is synonymous with n 2 . D 1 and D 1 ′ represent an atomic group necessary for forming an acidic nucleus.
2. The photoelectric conversion device according to (1) the general formula n 3 in (I) is 0.
3. In the general formula (I), n 3 is 0, and the sum of n 1 and n 2 is an integer of 2 or more and 5 or less, The photoelectric conversion element according to (1),
4). In the general formula (I), n 3 is 0 and the sum of n 1 and n 2 is an integer of 2 or more and 5 or less, and the nitrogen-containing heterocycle formed by X 2 is 3-alkyl rhodanine or A compound represented by formula (I), which is 2-thiobarbituric acid.
5. A photochemical battery using the photoelectric conversion element of the above 1, 2, 3 or 4.
The general formula (I) used in the present invention will be described in detail below.
[0012]
In the formula, X 1 represents an atomic group necessary for completing a 5-membered or 6-membered heterocyclic ring which may be condensed, and X 1 may further have a substituent.
Preferred examples of the heterocyclic ring completed with X 1 include benzothiazole nucleus, benzoxazole nucleus, benzoselenazole nucleus, benzotelrazole nucleus, quinoline nucleus, benzimidazole nucleus, thiazoline nucleus, indolenine nucleus, oxadiazole nucleus. , Thiazole nucleus, imidazole nucleus, more preferably benzothiazole nucleus, benzoxazole nucleus, benzimidazole nucleus, benzoselenazole nucleus, quinoline nucleus, indolenine nucleus, particularly preferably benzothiazole nucleus, quinoline nucleus. is there. Examples of substituents on the ring include halogen (F, Cl, Br, I), cyano, alkoxy (methoxy, ethoxy, methoxyethoxy, etc.), aryloxy (phenoxy, etc.), alkyl (methyl, ethyl, cyclopropyl, cyclohexyl). , Trifluoromethyl, methoxyethyl, allyl, benzyl etc.), alkylthio (methylthio, ethylthio etc.), alkenyl (vinyl, 1-propenyl etc.), aryl (phenyl, thienyl, toluyl, chlorophenyl etc.) and the like.
[0013]
L 1 , L 2 , L 3 and L 4 each independently represents a methine group which may have a substituent. Examples of the substituent include a substituted or unsubstituted alkyl group (preferably having 1 to 12 carbon atoms, more preferably 1 to 7 carbon atoms such as methyl, ethyl, propyl, isopropyl, cyclopropyl, butyl, 2-carboxyl. Ethyl, benzyl, etc.), substituted or unsubstituted aryl groups (preferably having 6 to 10 carbon atoms, more preferably 6 to 8 carbon atoms such as phenyl, toluyl, chlorophenyl, o-carboxyphenyl), heterocyclic rings Groups (eg pyridyl, thienyl, furanyl, pyridyl, barbituric acid), halogen atoms (eg chlorine, bromine), alkoxy groups (eg methoxy, ethoxy), amino groups (preferably having 1 to 12 carbon atoms, Preferably 6 to 12, for example diphenyl Mino, methylphenylamino, 4-acetyl-piperazin-1-yl), etc. oxo group. These groups on the methine group may be linked to each other to form a ring such as a cyclopentene ring or a cyclohexene ring, or may form a ring with an auxiliary color group.
[0014]
R 1 represents an aromatic group which may have a substituent or an aliphatic group which may have a substituent. The number of carbon atoms of the aromatic group is preferably 1 to 16, more preferably 5 to 6. The number of carbon atoms of the aliphatic group is preferably 1 to 10, more preferably 1 to 6. Examples of the unsubstituted aliphatic group and aromatic group include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an n-butyl group, a phenyl group, and a naphthyl group.
[0015]
n 1 is 0 or 1, n 2 is an integer from 0 to 4, and preferably the sum of n 1 and n 2 is an integer from 2 to 5.
[0016]
X 2 represents an atomic group necessary for completing a 5-membered or 6-membered nitrogen-containing heterocycle. Preferably the following nucleus is mentioned.
2-pyrazolin-5-one, pyrazolidine-3,5-dione, imidazolin-5-one, hydantoin, 2 or 4-thiohydantoin, 2-iminooxazolidine-4-one, 2-oxazolin-5-one, 2- Thiooxazolidine-2,4-dione, isoxazolin-5-one, 2-thiazoline-4-one, thiazolidine-4-one, thiazolidine-2,4-dione, rhodanine, thiazolidine-2,4-dithione, isorhodanine, Indan-1,3-dione, thiophen-3-one, thiophen-3-one-1,1-dioxide, indoline-2-one, indoline-3-one, indazolin-3-one, 2-oxoindazolinium 3-oxoindazolinium, 5,7-dioxo-6,7-dihydrothiazolo [3,2-a] Limidine, cyclohexane-1,3-dione, 3,4-dihydroisoquinolin-4-one, 1,3-dioxane-4,4-dione, barbituric acid, 2-thiobarbituric acid, chroman-2,4- Dione, indazolin-2-one, or pyrido [1,2-a] pyrimidine-1,3-dione, pyrazolo [1,5-b] quinazolone, pyrazolo [1,5-b] benzimidazole, 1,2, 3,4-tetrahydroquinoline-2,4-dione, 3-oxo-2,3-dihydrobenzo [d] thiophene-1,1-dioxide, 3-dicyanomethine-2,3-dihydrobenzo [d] thiophene-1 , 1-dioxide nucleus.
More preferably, 3-alkylrhodanine, 3-alkyl-2-thiooxazolidine-2,4-dione, 3-alkyl-2-thiohydantoin, 2-thiobarbituric acid, particularly preferably 3-alkylrhodanine, 2-thiobarbituric acid.
[0017]
L represents a linking group, preferably a divalent linking group having a length of 1 to 4 atoms, and may further have a substituent.
[0018]
Y is an oxygen atom or NR 2 , and R 2 is a hydrogen atom or an aromatic group which may have a substituent or an aliphatic group which may have a substituent.
[0019]
n 3 represents 0 or 1. n 3 is preferably 0.
[0020]
W 1 represents a counter ion when a counter ion is required to neutralize the charge.
Whether a certain dye is a cation, an anion, or has a net ionic charge depends on its auxiliary color group and substituent. When the substituent has a dissociable group, it may be dissociated to have a negative charge, and in this case as well, the charge of the entire molecule is neutralized by W 1 . Typical cations are inorganic or organic ammonium ions (eg, tetraalkylammonium ions, pyridinium ions) and alkali metal ions, while anions are specifically inorganic or organic anions. Well, for example, a halogen anion (eg, fluoride ion, chloride ion, bromide ion, iodide ion), substituted aryl sulfonate ion (eg, p-toluene sulfonate ion, p-chlorobenzene sulfonate ion), Aryl disulfonate ion (for example, 1,3-benzenedisulfonate ion, 1,5-naphthalenedisulfonate ion, 2,6-naphthalenedisulfonate ion), alkyl sulfate ion (for example, methyl sulfate ion), sulfate ion, thiocyanate Acid ion, perchlorine Ion, tetrafluoroborate ion, picrate ion, acetate ion and trifluoromethanesulfonate ion.
Further, an ionic polymer or another dye having a charge opposite to that of the dye may be used as the charge balance counter ion, or a metal complex ion (for example, bisbenzene-1,2-dithiolatonickel (III)) is also possible. is there.
[0021]
A is an oxygen atom, a sulfur atom, a selenium atom, or a substituent represented by general formula (II) or general formula (III). In the general formulas (II) and (III), L 5 , L 6 , L 7 , L 8 , L 9 , L 10 and L 11 are synonymous with L 1 . n 4 and n 6 are synonymous with n 2 , and n 5 is synonymous with n 1 . X 3 has the same meaning as X 1 , and R 3 has the same meaning as R 1 .
[0022]
D 1 and D 1 ′ represent an atomic group necessary for forming an acidic nucleus. The acidic nucleus here is, for example, “The Theory of the Photographic Process” edited by James. (The Theory of the Photographic Process) 4th edition, defined by Macmillan Publisher, 1977, 198 pages. In a preferred form, the substituent involved in the resonance of D 1 and D 2 is, for example, a carbonyl group, a cyano group, a sulfonyl group, or a sulfenyl group. D 1 ′ and D 2 ′ represent the remaining atomic groups necessary for forming an acidic nucleus.
Specifically, US Pat. Nos. 3,567,719, 3,575,869, 3,804,634, 3,837,862, 4,002,480, 4,925,777, What is described in Kaihei 3-167546 etc. is mentioned. When D 1 and D 1 ′ and D 2 and D 2 ′ form an acyclic acidic nucleus, the end of the methine bond is malononitrile, alkanesulfonylacetonitrile, cyanomethylbenzofuranyl ketone, or cyanomethylphenyl ketone. Such a group.
When D 1 and D 1 'form a cyclic acidic nucleus, form a 5- or 6-membered heterocycle consisting of carbon, nitrogen, and chalcogen (typically oxygen, sulfur, selenium, and tellurium) atoms To do.
[0023]
Specific examples of the compound represented by formula (I) of the present invention are shown below, but the present invention is not limited thereto.
[0024]
[Chemical 7]
[0025]
[Chemical 8]
[0026]
[Chemical 9]
[0027]
Embedded image
[0028]
Embedded image
[0029]
Synthesis of the compound represented by the general formula (I) used in the present invention is described in Dokl. Acad. Nauk SSSR, Vol. 177, p. 869 (1967), F.M. "Heterocyclic compounds-Cyanine dyes and related compounds-" by FM Harmer (John Wiley & Sons, New York (London, 1964), DM Starmer, "Heterocyclic Compounds-Special topics in heterocyclic chemistry", 482-515. (John Wiley & Sons, New York, London, 1977), JP 55-4501. No. 5 and European Patent Nos. 599,381A1, 599,382A1, 599,383A1, 599,384A1 and the references cited in these specifications can be referred to.
[0030]
The synthesis example of the compound used by this invention is shown.
Synthesis example 1
Synthesis of Exemplary Compound (S-1) Compound (S-1) can be synthesized according to the scheme shown below.
[0031]
Embedded image
[0032]
(A-1) 0.5 g and (B-1) 0.5 g are mixed in 10 ml of acetonitrile, 0.55 ml of triethylamine is added, and the mixture is stirred at room temperature for 3 hours. The obtained crystals were separated by suction filtration and recrystallized from a methanol-acetonitrile mixed solvent to obtain 0.10 g of (S-1).
(Λmax = 605nm (ε = 124000) (in methanol))
[0033]
Synthesis example 2
Synthesis of Exemplary Compound (S-13) Compound (S-13) can be synthesized according to the scheme shown below.
[0034]
Embedded image
[0035]
Mix 0.5 g of (A-2) and 1.0 g of (B-2) in 10 ml of acetonitrile, add 0.55 ml of triethylamine, and stir at room temperature for 4 hours. The obtained crystal was separated by suction filtration and recrystallized from a methanol-acetonitrile mixed solvent to obtain 0.30 g of (S-13).
(Λmax = 625nm (ε = 108000) (in methanol))
[0036]
Synthesis example 3
Synthesis of Exemplary Compound (S-21) Compound (S-21) can be synthesized according to the scheme shown below.
[0037]
Embedded image
[0038]
1.0 g of (A-3) and 1.7 g of (B-3) are mixed in 20 ml of acetonitrile, 2.0 ml of triethylamine is added, and the mixture is refluxed with heating for 10 minutes and further stirred at room temperature for 1 hour. The obtained crystal was separated by suction filtration and recrystallized from a methanol-acetonitrile mixed solvent to obtain 0.40 g of (S-21).
(Λmax = 615nm (ε = 46500) (in methanol))
[0039]
Next, a dye-sensitized photoelectric conversion element using a polymethine dye and a photochemical battery will be described in detail. The dye-sensitized photoelectric conversion element is an electrode comprising a conductive support and a layer (photosensitive layer) of semiconductor fine particles adsorbed with a polymethine dye coated on the conductive support. The photosensitive layer is designed according to the purpose and may have a single layer structure or a multilayer structure. The dyes in one photosensitive layer may be one kind or a mixture of various kinds. Light incident on the photosensitive layer excites the dye. The excitation dye has electrons with high energy, and these electrons are transferred from the dye to the conduction band of the semiconductor fine particles, and further reach the conductive support by diffusion. At this time, the dye molecules are in the form of oxidant, but the electrons on the electrodes return to the dye oxidant while working in the external circuit, and the dye-sensitized photoelectric conversion element functions as the negative electrode of this battery. .
[0040]
Hereinafter, the conductive support and the photosensitive layer will be described in detail.
The conductive support is a support made of glass or plastic having a conductive agent layer on the surface, such as a metal, which is conductive in itself. In the latter case, preferred conductive agents are metals (eg, platinum, gold, silver, copper, aluminum, rhodium, indium, etc.), carbon, or conductive metal oxides (indium-tin composite oxide, tin oxide doped with fluorine. Etc.).
The lower the surface resistance of the conductive support, the better. The range of the surface resistance is preferably 50 Ω / cm 2 or less, more preferably 10 Ω / cm 2 or less.
The conductive support is preferably substantially transparent. Substantially transparent means that the light transmittance is 10% or more, preferably 50% or more, particularly preferably 80% or more. As the transparent conductive support, a glass or plastic coated with a conductive metal oxide is preferable. When a transparent conductive support is used, light is preferably incident from the support side.
[0041]
The semiconductor fine particles are metal chalcogenides (eg, oxides, sulfides, selenides, etc.) or perovskite fine particles. Preferred examples of the metal chalcogenide include titanium, tin, zinc, tungsten, zirconium, hafnium, strontium, indium, cerium, yttrium, lanthanum, vanadium, niobium, tantalum oxide, cadmium sulfide, and cadmium selenide. Preferred perovskites include strontium titanate and calcium titanate. Of these, titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, or tungsten oxide is used for the photoelectric conversion element of the present invention .
[0042]
As a method of coating the semiconductor fine particles on the conductive support, a method of coating a dispersion or colloidal solution of the semiconductor fine particles on the conductive support, a method of coating the precursor of the semiconductor fine particles on the conductive support, and air. Examples thereof include a method of obtaining a semiconductor fine particle film by hydrolysis with moisture therein. Examples of the method for preparing a dispersion of semiconductor fine particles include a method of pulverizing in a mortar, a method of dispersing while pulverizing using a mill, or a method of depositing fine particles in a solvent and using them as they are when a semiconductor is synthesized. . Examples of the dispersion medium include water or various organic solvents (for example, methanol, ethanol, dichloromethane, acetone, acetonitrile, ethyl acetate, etc.). During dispersion, a polymer, surfactant, acid, chelating agent, or the like may be used as a dispersion aid as necessary.
[0043]
The semiconductor fine particles preferably have a large surface area so that many dyes can be adsorbed. For example, in a state where semiconductor fine particles are coated on a support, the surface area is preferably 10 times or more, more preferably 100 times or more the projected area.
In general, as the thickness of the semiconductor fine particle layer increases, the amount of dye that can be carried per unit area increases, so that the light absorption efficiency increases. The preferred thickness of the semiconductor fine particle layer varies depending on the use of the device, but is typically 0.1 to 100 microns. When used as a photochemical battery, the thickness is preferably 1 to 50 microns, more preferably 3 to 30 microns. The semiconductor fine particles may be fired to adhere the particles to each other after being applied to the support.
[0044]
In order to adsorb the dye to the semiconductor fine particles, a method of immersing a well-dried semiconductor fine particle in a dye solution for a long time is general. The dye solution may be heated to 50 ° C. to 100 ° C. as necessary. The adsorption of the dye may be performed before or after application of the semiconductor fine particles. Further, the semiconductor fine particles and the pigment may be applied and adsorbed simultaneously. Unadsorbed dye is removed by washing. When baking a coating film, it is preferable to adsorb | suck a pigment | dye after baking. It is particularly preferable that the dye is quickly adsorbed after the baking and before water adsorbs on the surface of the coating film. One type of dye may be adsorbed or a mixture of several types may be used. In the case of mixing, the polymethine dyes of the present invention may be mixed together, as described in U.S. Pat. Nos. 4,927,721, 4,684,537, 5,084,365, 5,350,644, 5,630,57, 5,525,440, and JP-A-7-249790. The complex dye and the dye of the present invention may be mixed. When the application is a photochemical battery, a dye to be mixed is selected so as to make the wavelength range of photoelectric conversion as wide as possible.
Further, a colorless compound may be co-adsorbed for the purpose of reducing the interaction between dyes such as association. Examples of the hydrophobic compound to be co-adsorbed include steroid compounds having a carboxyl group (for example, cholic acid).
[0045]
The amount of the dye adsorbed to the semiconductor fine particle layer in the present invention is preferably 0.01 to 100 mmol per square meter of the coated film as the total amount of the dye, more preferably 0.1 to 50 mmol per square meter, and further preferably 0.5 to 20 mmol per square meter.
[0046]
After adsorbing the dye, the surface of the semiconductor fine particles may be treated with amines. Preferable amines include pyridine, 4-tert-butylpyridine, polyvinylpyridine and the like. These may be used as they are in the case of a liquid, or may be used by dissolving in an organic solvent.
[0047]
The dye-sensitized photoelectric conversion element thus prepared can be applied to various sensors and photochemical batteries. When applied to a photochemical battery, a charge transfer layer and a counter electrode are required. Hereinafter, the charge transfer layer and the counter electrode will be described in detail.
The charge transfer layer is a layer having a function of replenishing electrons to the oxidant of the dye. Typical examples include a liquid in which a redox couple is dissolved in an organic solvent, a so-called gel electrolyte in which a polymer matrix is impregnated with a liquid in which a redox pair is dissolved in an organic solvent, and a molten salt containing the redox couple.
Examples of the redox pair include a combination of iodine and iodide (eg, lithium iodide, tetrabutylammonium iodide, tetrapropylammonium iodide, etc.), alkyl viologen (eg, methyl viologen chloride, hexyl viologen bromide, benzyl viologen tetrafluoroborate). And its reduced form. A combination of polyhydroxybenzenes (eg, hydroquinone, naphthohydroquinone, etc.) and their oxidants. A combination of divalent and trivalent iron complexes (for example, red blood salt and yellow blood salt) can be used. Of these, a combination of iodine and iodide is preferred. As the organic solvent for dissolving them, an aprotic polar solvent (for example, acetonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, 1,3-dimethylimidazolinone, 3-methyloxazolidinone, etc.) is preferable. Examples of the polymer used for the matrix of the gel electrolyte include polyacrylonitrile and polyvinylidene fluoride. Examples of the molten salt include those imparted with fluidity at room temperature by mixing polyethylene oxide with lithium iodide and at least one other lithium salt (eg, lithium acetate, lithium perchlorate, etc.). .
Since the redox couple becomes an electron carrier, a certain concentration is required. The preferred concentration is 0.01 mol / liter or more in total, more preferably 0.1 mol / liter, and particularly preferably 0.3 mol / liter or more.
[0048]
The counter electrode serves as the positive electrode of the photochemical battery. The counter electrode is usually synonymous with the conductive support described above, but the support is not necessarily required in a configuration in which the strength is sufficiently maintained. However, having a support is advantageous in terms of hermeticity.
In order for light to reach the photosensitive layer, at least one of the conductive support and the counter electrode described above must be substantially transparent. In the photochemical cell of the present invention, it is preferable that the conductive support is transparent and sunlight is incident from the support side. In this case, it is more preferable that the counter electrode has a property of reflecting light.
As the counter electrode of the photochemical battery, glass or plastic on which a metal or conductive oxide is vapor-deposited is preferable, and glass on which platinum is vapor-deposited is particularly preferable.
[0049]
In the photochemical battery, it is preferable to seal the side surface of the battery with a polymer, an adhesive or the like in order to prevent evaporation of components.
[0050]
【Example】
The method for producing the dye-sensitized photoelectric conversion element and the photochemical battery of the present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
[0051]
Preparation of Titanium Dioxide Dispersion Teflon-coated inner 200ml stainless steel vessel with 15g titanium dioxide (Nippon Aerosil Degussa P-25), water 45g, dispersant (Aldrich Triton X-100) 1g, diameter 30 g of 0.5 mm zirconia beads (manufactured by Nikkato Co., Ltd.) was added and dispersed for 2 hours at 1500 rpm using a sand grinder mill (manufactured by Imex). The zirconia beads were filtered off from the dispersion.
[0052]
Preparation of photoelectric conversion element The above dispersion liquid was prepared using a glass rod on the conductive surface side of conductive glass coated with tin oxide doped with fluorine (TCO glass manufactured by Asahi Glass cut into a size of 20 mm x 20 mm). Applied. At this time, adhesive tape was applied to a part of the conductive surface side (3 mm from the end) to form a spacer, and glass was arranged so that the adhesive tape came to both ends, and 8 sheets were applied at a time. After application, the film was air-dried at room temperature for 1 day, and the adhesive tape was peeled off. (The part with the adhesive tape is used to make electrical contact with the measuring instrument during photoelectric conversion measurement.) Next, this glass is put into an electric furnace (Maffle furnace FP-32 manufactured by Yamato Scientific). Baked at 450 ° C. for 30 minutes. After the glass was taken out and cooled, it was immersed in an ethanol solution (3 × 10 −4 mol / liter) of the dye of the present invention shown in Table 1 for 3 hours. The dyed glass was immersed in a 10% ethanol solution of 4-tert-butylpyridine for 30 minutes, then washed with ethanol and air dried.
[0053]
Preparation of Photochemical Battery The above photoelectric conversion element was overlapped with platinum vapor-deposited glass having the same size (the uncoated portion of the photoelectric conversion element was shifted so as not to contact the platinum vapor-deposited glass). Next, an electrolytic solution (0.05 mol / liter iodine using a mixture of acetonitrile and N-methyl-2-oxazolidinone in a volume ratio of 90 to 10) as a solvent is utilized in the gap between the two glasses using a capillary phenomenon. .5 mol / liter solution).
[0054]
Measurement of photoelectric conversion efficiency Simulated sunlight that does not contain ultraviolet rays was generated by passing light from a 500 W xenon lamp (made by Ushio) through an AM1.5G filter (made by Oriel) and a sharp cut filter (Kenko L-42). . The intensity of this light was 50 mW / cm 2 .
The photoelectric conversion element of the present invention was irradiated with this light, and the generated electricity was measured with a current-voltage measuring device (Keutley 238 type). Table 1 summarizes the open circuit voltage, short circuit current, form factor, and conversion efficiency of the photochemical battery thus determined.
[0055]
[Table 1]
[0056]
Although any of the dyes of the present invention is an organic dye, high photoelectric conversion characteristics are recognized.
[0057]
【The invention's effect】
According to the present invention, a dye-sensitized photoelectric conversion element having high photoelectric conversion characteristics using an organic dye is provided.

Claims (5)

下記一般式(I)で表されるポリメチン色素によって増感された、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、又は酸化タングステンの微粒子を用いる事を特徴とする光電変換素子。一般式(I)
式中、X1は、縮環してもよい5員もしくは6員ヘテロ環を完成するために必要な原子群を表し、X1はさらに置換基を有していてもよい。L1、L2、L3およびL4はそれぞれ独立に置換基を有していてもよいメチン基を表す。n1は0または1を表し、R1は置換基を有していてもよい芳香族基または置換基を有していてもよい脂肪族基を表す。n2は0から4までの整数であり、X2は5員もしくは6員の含窒素ヘテロ環を完成するために必要な原子群を表す。Lは連結基を表し、Yは酸素原子またはNR2であり、R2は水素原子または置換基を有していてもよい芳香族基または置換基を有していてもよい脂肪族基である。n3は0または1を表す。W1は電荷を中和させるのに対イオンが必要な場合の対イオンを表す。Aは酸素原子、硫黄原子、セレン原子または一般式(II)または一般式(III)で表される置換基である。一般式(II)
式中、L5、L6、L7、L8およびL9はL1と同義である。n4はn2と同義であり、n5はn1と同義である。X3はX1と同義で、R3はR1と同義である。一般式(III)
式中、L10、L11はL1と同義である。n6はn2と同義である。D1およびD1′は酸性核を形成するのに必要な原子群を表す。
A photoelectric conversion element characterized by using fine particles of titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, or tungsten oxide sensitized with a polymethine dye represented by the following general formula (I). Formula (I)
In the formula, X 1 represents an atomic group necessary for completing a 5-membered or 6-membered heterocyclic ring which may be condensed, and X 1 may further have a substituent. L 1 , L 2 , L 3 and L 4 each independently represents a methine group which may have a substituent. n1 represents 0 or 1, R 1 represents an aliphatic group which may have an optionally substituted aromatic group or a substituent. n2 is an integer from 0 to 4, X 2 represents an atomic group necessary to complete a nitrogen-containing heterocyclic ring of 5 or 6 membered. L represents a linking group, Y represents an oxygen atom or NR 2 , and R 2 represents a hydrogen atom or an aromatic group which may have a substituent or an aliphatic group which may have a substituent. . n3 represents 0 or 1. W 1 represents a counter ion when a counter ion is required to neutralize the charge. A is an oxygen atom, a sulfur atom, a selenium atom, or a substituent represented by general formula (II) or general formula (III). Formula (II)
In the formula, L 5 , L 6 , L 7 , L 8 and L 9 are synonymous with L 1 . n4 is synonymous with n2, and n5 is synonymous with n1. X 3 has the same meaning as X 1 , and R 3 has the same meaning as R 1 . General formula (III)
In the formula, L 10 and L 11 have the same meaning as L 1 . n6 is synonymous with n2. D 1 and D 1 ′ represent an atomic group necessary for forming an acidic nucleus.
一般式(I)においてn3が0であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。2. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein n3 is 0 in the general formula (I). 一般式(I)において、n3が0でありかつn1とn2の和が2以上5以下の整数であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。2. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein in general formula (I), n3 is 0 and the sum of n1 and n2 is an integer of 2 or more and 5 or less. 一般式(I)において、n3が0でありかつn1とn2の和が2以上5以下の整数で、かつまたX2で形成される含窒素へテロ環が3−アルキルローダニンまたは2−チオバルビツール酸であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子In the general formula (I), n3 is 0, the sum of n1 and n2 is an integer of 2 or more and 5 or less, and the nitrogen-containing heterocycle formed by X 2 is 3-alkylrhodanine or 2-thio It is a barbituric acid, The photoelectric conversion element of Claim 1 characterized by the above-mentioned . 請求項1、2、3または4記載の光電変換素子を用いる事を特徴とする光化学電池。A photochemical cell using the photoelectric conversion element according to claim 1, 2, 3 or 4.
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