JP5630156B2 - インダノン誘導体とその色素増感型太陽電池用色材としての利用 - Google Patents
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Description
R4乃至R21はそれぞれ独立に、水素原子、無置換もしくは置換基を有するアルキル基、無置換もしくは置換基を有するアルコキシ基、無置換もしくは置換基を有するアルキルチオ基、無置換もしくは置換基を有するアリール基を表す。ここで置換基はアルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、および、アリール基のいずれかである。
また、nは0乃至3の整数を表す。]
また、一般式(1)で表される増感色素の酸性官能基が結合する芳香環に少なくとも一つの電子吸引基が置換されている場合には、酸性官能基の結合する芳香環の電子受容性が高くなり、励起電子がπ共役系を経由して酸化チタン等の無機半導体へ効率的に注入される。
一般式(1)で表される増感色素中のR1乃至R3はそれぞれ独立に水素原子もしくは電子吸引性基を表す。
本発明において用いられる光電変換用増感色素は連結基を介して無機半導体多孔質体表面に連結することによって無機半導体多孔質体が増感された光電変換材料を形成する。無機半導体は、一般に、一部の領域の光に対して光電変換機能を有しているが、この表面に増感色素を連結することによって可視光及び/又は近赤外光領域までの光電変換が可能となる。無機半導体多孔質体としては主に無機酸化物が用いられるが、増感色素を連結することによって光電変換機能を有する無機半導体多孔質体であればこれに限らない。無機半導体としては、シリコン、ゲルマニウム、III族‐V族系半導体、金属カルコゲニド等が挙げられる。本発明で用いられる無機酸化物半導体多孔質体としては、酸化チタン、酸化スズ、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ニオブ、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化ストロンチウム、酸化タンタル、酸化アンチモン、酸化ランタノイド、酸化イットリウム、酸化バナジウム等の多孔質体を挙げることができるが、これらの表面が増感色素を連結することによって可視光及び/又は近赤外光領域までの光電変換が可能となるものであればこれらに限定されない。無機酸化物半導体多孔質体表面が増感色素によって増感されるためには無機酸化物の伝導帯が増感色素の光励起順位から電子を受容し易い準位に存在することが望ましい。この理由から、前記無機酸化物半導体多孔質体の中でも、特に酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化ニオブ等が用いられる。さらに、価格や環境衛生性等の点から、特に酸化チタンが用いられる。また、本発明においては前記無機酸化物半導体多孔質体から一種類又は複数の種類を選択して組み合わせることができる。
無機半導体多孔質体は、多量の増感色素をその表面に連結し、高効率な光電変換能力を発現させる目的から、多孔質化することにより広い表面積を有している。多孔質化の方法としては、粒子径が数乃至数十ナノメートルの酸化チタン等の無機酸化物粒子をペースト化した後に焼結する方法が広く知られているが、多孔質化して広い表面積を得る方法であればこれに限らない。
本発明において用いられる光電変換材料は電導性表面を有する透明基材の電導面に積層することによって光電変換電極を形成する。
本発明において用いられる電導性表面としては、太陽光の可視領域から近赤外領域に対して光吸収が少ない導電材料であれば特に限定されないが、ITO(インジウム−スズ酸化物)や酸化スズ(フッ素等がドープされたものを含む)、酸化亜鉛等の電導性の良好な金属酸化物が好適である。
用いられる透明基材としては太陽光の可視領域から近赤外領域における光吸収の少ない材料であれば特に限定されない。石英、並ガラス、BK7、鉛ガラス等のガラス基材、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、ポリエステル、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリビニルブチラート、ポリプロピレン、テトラアセチルセルロース、シンジオクタチックポリスチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリスルフォン、ポリエステルスルフォン、ポリエーテルイミド、環状ポリオレフィン、ブロム化フェノキシ、塩化ビニール等の樹脂基材等を用いることができる。
本発明において用いられる光電変換材料を、電導性表面を有する透明基材の電導面に積層する方法としては、電導面にペースト化した無機酸化物粒子を塗布した後に乾燥又は焼結させることにより無機酸化物半導体多孔質体を形成し、これを透明基材ごと増感色素を溶解させた溶液中に浸すことにより、無機多孔質表面と増感色素の連結基の親和性を利用して増感色素を無機多孔質表面に結合させる方法が一般的であるが、この方法に限定されない。無機酸化物粒子をペースト化させるためには無機酸化物粒子を水又は適当な有機溶剤中に分散させる。均質で表面積が大きい無機多孔質表面として積層させるには分散性の良いペーストにすることが重要であり、必要に応じて、硝酸やアセチルアセトン等の酸やポリエチレングリコール、トリトンX−100等の分散剤をペースト成分に混合し、ペイントシェーカー等を用いてペースト化する。ペーストを透明基材の電導面に塗布する方法としてはスピンコーターによる塗布方法、スクリーン印刷法、スキージーを用いた塗布方法、ディップ法、吹き付け法、ローラー法等が用いられる。塗布された無機酸化物ペーストは乾燥又は焼成後にペースト中の揮発成分が除去され透明基材の電導面上に無機酸化物半導体多孔質体を形成する。乾燥又は焼成の条件としては、例えば400℃から500℃の温度で30分〜1時間程度の熱エネルギーを与える方法が一般的であるが、透明基材の電導面に密着性を有し、太陽光照射時に良好な起電力が得られる乾燥又は焼成方法であればこれに限らない。
本発明において用いられる光電変換電極は、電解質層を介して導電性対極を組み合わせることにより光電変換セルを形成する。
本発明で用いられる電解質層は電解質、媒体、及び添加物から構成されることが好ましい。本発明の電解質はヨウ素とヨウ化物(例としてヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化セシウム、ヨウ化マグネシウム、ヨウ化カルシウム、ヨウ化第一銅、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等)の混合物、臭素と臭化物(例として臭化リチウム等)の混合物、Inorganic Chemistry,35巻,1168−1178頁(1996年)に記載の溶融塩等を用いることができるがこの限りではない。この中でもヨウ素とヨウ化物の組み合わせとしてヨウ化リチウム、ピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイド等を混合した電解質が本発明では好ましいが、この組み合わせに限らない。好ましい電解質濃度は、媒体中のヨウ素が0.01M乃至0.5Mでありヨウ化物の混合物が0.1M乃至15Mである。
本発明で用いられる電導性対極は光電変換セルの正極として機能するものである。具体的に対極に用いる導電性の材料としては金属(例えば白金、金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウム等)、金属酸化物、ITO(インジウム‐スズ酸化物)や酸化スズ(フッ素等がドープされたものを含む)、酸化亜鉛及び炭素等があげられる。対極の膜厚は特に制限はないが、5nm乃至10μmであることが好ましい。
前記の光電変換電極と導電性対極を、電解質層を介して組み合わせることにより光電変換セルを形成する。必要に応じて電解質層の漏れや揮発を防ぐために、光電変換セルの周囲に封止を施す。封止には熱可塑性樹脂、光硬化性樹脂、ガラスフリット等を封止材料として用いることができる。光電変換セルは必要に応じて小面積の光電変換セルを連結させて作る。光電変換セルを直列に組み合わせることにより起電圧を高くすることができる。
Trimellitic anhydride(5.10 g, 26.5 mmol) の無水酢酸溶液 (38 ml) にmethyl acetoacetate (6.01 g, 51.8 mmol) とtriethylamine (16.90 g, 167 mmol) を加えて100 ℃で1.5時間攪拌した。減圧下、無水酢酸と過剰量のtriethylamineを100℃にて除去し、カラムクロマトグラフィー(シリカゲル、クロロホルム:メタノール=10 : 1)により、化合物(1) 5.95 g を黒色液体として得た。
1H NMR (300 MHz, DMSO-d6) δ 1.13 (t, J = 7.2 Hz, 18H), 2.91 (q, J = 7.2 Hz, 12H), 3.53 (s, 3H), 7.37 (d, J = 7.4 Hz, 1H), 7.83 (s, 1H), 7.99 (d, J = 7.4 Hz, 1H).
化合物(1) 2.09 g( 4.6 mmol) のメタノール溶液 (30 mL) に酢酸アンモニウム (1.06 g, 13.8 mmol) を加え、還流下3時間攪拌した。得られた懸濁液をろ過し、メタノールで洗浄することで化合物(2) 1.02 g を黄色固体として得た。
1H NMR (300 MHz, DMSO-d6) δ 3.51 (s, 3H), 7.27 (d, J = 7.5 Hz, 1H), 7.81 (s, 1H), 7.93 (d, J = 7.3 Hz, 1H).
化合物(2) 0.20 g( 0.58 mmol) の酢酸溶液 (2 mL) に式(3)で表されるアルデヒド0.21g(0.58 mmol) を加え、100℃にて1時間攪拌した。得られた混合物を70℃にて減圧濃縮し、カラムクロマトグラフィー(シリカゲル、クロロホルム:メタノール=10 : 1)精製により結晶0.24gを得た。MALDITOF−MS(ブルカーダルトニクス社製 autoflexII)による質量分析により、例示化合物1の分子量(理論値527.59、実測値527.81)に一致した。
変換用増感色素の評価法として、増感色素を用いて組み立てた光電変換セルの変換効率を測定する方法について、光電変換セルの試験試料を表した図1を用いて説明する。
フッ素ドープ型酸化スズ層(透明電極層)付ガラス基板3(旭ガラス社製、タイプU−TCO)を使用した。
フッ素ドープ型酸化スズ層付ガラス基板3(旭ガラス社製、タイプU−TCO)の導電層上に、スパッタリング法により白金層(白金電極層)(厚み150nm)を積層した導電性対極4を用いた。
下記の処方で酸化チタンとジルコニアビーズを混合し、ペイントシェーカーを用いて分散することにより酸化チタンペーストを得た。
酸化チタン(日本アエロジル社製 P25 粒子径 21nm) 6 部
水(硝酸添加でpH2に調整) 14 部
アセチルアセトン 0.6 部
界面活性剤(ICN社製 Triton X−100) 0.04 部
PEG‐#500,000 0.3 部
透明電極の導電面(透明電極層3)に厚さ60μmのメンディングテープを張り、1cm角のテープを除去することでマスクを作り、空いた部分に上記酸化チタンペーストを数滴たらした後に、スキージで余分なペーストを除去した。風乾後、全てのマスクを除去し、450℃のオーブンで1時間焼成して、有効面積1cm2の酸化チタン多孔質層を有する酸化チタン電極を得た。
光電変換用増感色素をテトラヒドロフラン:アセトニトリル=1:1(体積比)に溶解(濃度0.6mmol/L)し、メンブランフィルターで不溶分を除去した後に、この色素溶液に上記酸化チタン電極を浸漬し、室温で24時間放置した。浸漬時間は、実際にセルを作成して変換効率を求め、その変換効率が最大となるように設定した。
着色した電極表面を、溶解に使用した溶剤及びアルコールで洗浄した後、4‐t‐ブチルピリジンの2mol%アルコール溶液に30分浸した後、乾燥させて、増感色素の吸着した酸化チタン多孔質層1を有する光電変換電極を得た。
下記処方の電解質溶液を調製した。溶媒にはメトキシアセトニトリルを用いた。
ヨウ化リチウム 0.1M
ヨウ素 0.05M
4−t−ブチルピリジン 0.5M
1−プロピル−2,3−ジメチルイミダゾリウムヨージド 0.6M
図1に示すように、光電変換セルの試験サンプルを組み立てた。すなわち、上記の手順により光電変換用増感色素を吸着させた酸化チタン多孔質層1が形成された透明電極(フッ素ドープ型酸化スズ層付ガラス基板3)と、フッ素ドープ型酸化スズ層付ガラス基板の導電層上に白金層が積層された導電性対極4とを、樹脂フィルム製スペーサー6(三井・デュポンポリケミカル社製「ハイミラン」フィルム(25μm厚))を挟んで固定し、その空隙に上記の電解質溶液を注入して電解質溶液層2を形成した。ガラス基板3及び白金対極層には、それぞれ変換効率測定用の導線7を固定した。
ORIEL社製ソーラーシミュレーター(#8116)とエアマスフィルターを組み合わせ、光量計で100mW/cm2 の光量に調整して測定用光源とした。光電変換セルの試験サンプルに光照射をしながら、KEITHLEY MODEL 2400ソースメーターを使用してI−Vカーブ特性を測定した。変換効率ηは、I−Vカーブ特性測定から得られたVoc(開放電圧値)、Isc(短絡電流値)及びff(フィルファクター値)を用いて下記の式により算出した。
表1に記載した例示化合物を増感色素として用い、上記の方法により組み立てたセルを用いて評価を行なった。得られた結果を表2に示す。
2.電解質溶液層
3.透明電極層(フッ素ドープ型酸化スズ)
4.Pt電極層
5.ガラス基盤
6.樹脂フィルム製スペーサー
7.変換効率測定用導線
Claims (5)
- 下記一般式(1)で表されるインダノン誘導体。
一般式(1)
[式中、R1乃至R3はそれぞれ独立に水素原子もしくは電子吸引性基を表す。ここで、電子吸引性基は、シアノ基、カルボキシル基、ニトロ基、アシル基、アルキルオキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、ペルフルオロアルキル基、ペルフルオロアルキルカルボニル基、および、ハロゲン原子のいずれかである。
また、R4乃至R 21 はそれぞれ独立に、水素原子、無置換もしくは置換基を有するアルキル基、無置換もしくは置換基を有するアルコキシ基、無置換もしくは置換基を有するアルキルチオ基、無置換もしくは置換基を有するアリール基を表す。ここで置換基はアルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、および、アリール基のいずれかである。
また、nは0乃至3の整数を表す。] - 請求項1に記載のインダノン誘導体を含んで成る光電変換用増感色素。
- 請求項2に記載の光電変換用増感色素と、無機半導体多孔質体とを連結させて成る光電変換材料。
- 請求項3に記載の光電変換材料を透明電極に積層させて成る光電変換電極。
- 請求項4に記載の光電変換電極、電解質層及び導電性対極を含んで成る光電変換セル。
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