JP6209424B2 - Metal complex, dye-sensitized solar cell, dye-sensitized solar cell module, method for producing metal complex - Google Patents

Metal complex, dye-sensitized solar cell, dye-sensitized solar cell module, method for producing metal complex Download PDF

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Description

本発明は、金属錯体、色素増感型太陽電池、色素増感型太陽電池モジュール、金属錯体の製造方法及び配位子に関する。   The present invention relates to a metal complex, a dye-sensitized solar cell, a dye-sensitized solar cell module, a method for producing a metal complex, and a ligand.

近年、色素増感型太陽電池に用いられる増感色素として、様々な金属錯体が検討されている。例えば、増感色素である金属錯体としては、ルテニウムにビピリジン系置換配位子を2つ配位させたビピリジン系ルテニウム錯体などが提案されている(特許文献1〜3参照)。このような金属錯体は、色素増感型太陽電池の色素として用いることができ、近年盛んに研究がなされている。また、光増感剤としてピリジン構造を3つ有する3座ターピリジン配位子を遷移金属に配位させた金属錯体色素が提案されている(特許文献3,4参照)。例えば、3座配位子であるトリカルボン酸ターピリジン化合物(ブラックダイとも称する)は、変換効率が比較的高く、その改良について様々な研究がなされている(非特許文献1〜3参照)。また例えば、非特許文献2,3では、電子供与性官能基を導入し、太陽電池を性能向上させることが提案されている。   In recent years, various metal complexes have been studied as sensitizing dyes used in dye-sensitized solar cells. For example, as a metal complex that is a sensitizing dye, a bipyridine ruthenium complex in which two bipyridine substituted ligands are coordinated to ruthenium has been proposed (see Patent Documents 1 to 3). Such a metal complex can be used as a dye for a dye-sensitized solar cell, and has been actively studied in recent years. Further, a metal complex dye in which a tridentate terpyridine ligand having three pyridine structures is coordinated to a transition metal as a photosensitizer has been proposed (see Patent Documents 3 and 4). For example, a tricarboxylic acid terpyridine compound (also referred to as a black dye) which is a tridentate ligand has a relatively high conversion efficiency, and various studies have been made on its improvement (see Non-Patent Documents 1 to 3). Further, for example, Non-Patent Documents 2 and 3 propose to introduce an electron-donating functional group to improve the performance of the solar cell.

特表平5−508420号公報Japanese National Patent Publication No. 5-508420 特表平7−500630号公報JP 7-500630 特表平10−504521号公報Japanese National Patent Publication No. 10-504521 特表2002−512729号公報JP 2002-512729 A

Journal of the American Chemical Society 2001, 123, 1613-1624Journal of the American Chemical Society 2001, 123, 1613-1624 Adv. Funct. Mater. 2012, DOI: 10.1002/adfm.201202504Adv. Funct. Mater. 2012, DOI: 10.1002 / adfm.201202504 Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 14190-14195Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 14190-14195

しかしながら、上述した既存のブラックダイ(N749色素)では、例えば波長400nm付近での吸光係数が低く、この部分の吸光係数を増大させることが望まれていた。また、電子供与性官能基を導入した場合、吸収波長帯域(吸収端)が変化してしまうことがあった。なお、非特許文献3によれば、電子吸引基であるCF3を導入したところ、太陽電池として機能しないことが示されており、これまで、アリール基を介して電子吸引基を導入するというアプローチはなされていなかった。 However, the existing black dye (N749 dye) described above has a low extinction coefficient, for example, in the vicinity of a wavelength of 400 nm, and it has been desired to increase the extinction coefficient of this portion. In addition, when an electron donating functional group is introduced, the absorption wavelength band (absorption edge) may change. In addition, according to Non-Patent Document 3, it has been shown that when CF 3 that is an electron withdrawing group is introduced, it does not function as a solar cell. Until now, an approach to introduce an electron withdrawing group via an aryl group has been shown. Was not done.

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、吸収波長帯域を大きく変えることなく吸光係数をより増大できる錯体色素を提供することを主目的とする。   The present invention has been made to solve such problems, and a main object of the present invention is to provide a complex dye capable of further increasing the extinction coefficient without largely changing the absorption wavelength band.

上述した目的を達成するために、本発明者らは、カルボン酸が各々のピリジン構造に結合した3座ターピリジン配位子を有するN749色素のピリジン環に結合したカルボキシ基のうちの一つを、アリール基を介して電子吸引基が結合した構造のものに代えたところ、N749色素に比して吸収波長帯域を大きく変えることなく波長400nm付近での吸光係数を増大させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。   In order to achieve the above-mentioned object, the present inventors have selected one of the carboxy groups bonded to the pyridine ring of the N749 dye having a tridentate terpyridine ligand bonded to each pyridine structure. When the structure having an electron-withdrawing group bonded through an aryl group is substituted, it has been found that the absorption coefficient in the vicinity of a wavelength of 400 nm can be increased without greatly changing the absorption wavelength band as compared with the N749 dye. The invention has been completed.

即ち、本発明の金属錯体は、
遷移金属イオンと、該遷移金属イオンに配位する3つのピリジン構造を有し、該ピリジン構造のうちの少なくとも1つにはアリール基を介して電子吸引基が結合し残りのピリジン構造にはカルボキシ基が結合している3座ターピリジン配位子と、を有するアニオン性錯体と、
前記アニオン性錯体に付属する対カチオンと、
を有するものである。
That is, the metal complex of the present invention is
It has a transition metal ion and three pyridine structures coordinated to the transition metal ion. At least one of the pyridine structures has an electron-withdrawing group bonded thereto via an aryl group, and the remaining pyridine structure has a carboxy structure. An anionic complex having a tridentate terpyridine ligand to which a group is bonded;
A counter cation attached to the anionic complex;
It is what has.

本発明の色素増感型太陽電池は、上述した金属錯体を色素として用いたものである。   The dye-sensitized solar cell of the present invention uses the above-described metal complex as a dye.

本発明の色素増感型太陽電池モジュールは、
上述した色素増感型太陽電池を複数備えたものである。
The dye-sensitized solar cell module of the present invention is
A plurality of the dye-sensitized solar cells described above are provided.

本発明の金属錯体の製造方法は、
3座ターピリジン配位子を有する金属錯体の製造方法であって、アリール基を介して電子吸引基が結合したピリジン構造の2位又は6位に−X(Xはハロゲン基)が結合した電子吸引基結合ハロゲン化物と、2,2’−ビピリジン構造の6位又は6’位に−SnR3(Rはアルキル基)が結合した有機スズ化合物とをクロスカップリングさせるか、アリール基を介して電子吸引基が結合したピリジン構造の2位又は6位に−SnR3(Rはアルキル基)が結合した電子吸引基結合有機スズ化合物と、2,2’−ビピリジン構造の6位又は6’位に−X(Xはハロゲン基)が結合したハロゲン化物とをクロスカップリングさせて、前記3座ターピリジン配位子を合成する配位子合成工程を含むものである。
The method for producing the metal complex of the present invention comprises:
A method for producing a metal complex having a tridentate terpyridine ligand, wherein -X (X is a halogen group) is bonded to the 2- or 6-position of the pyridine structure in which the electron-withdrawing group is bonded via an aryl group. The group-bonded halide is cross-coupled with an organotin compound in which —SnR 3 (R is an alkyl group) is bonded to the 6-position or 6′-position of the 2,2′-bipyridine structure, or electrons are bonded via an aryl group. An electron-withdrawing group-bonded organotin compound in which —SnR 3 (R is an alkyl group) is bonded to the 2-position or 6-position of the pyridine structure to which the attractive group is bonded; and the 6-position or 6′-position of the 2,2′-bipyridine structure; It includes a ligand synthesis step of synthesizing the tridentate terpyridine ligand by cross-coupling with a halide to which —X (X is a halogen group) is bonded.

本発明の配位子は、
3つのピリジン構造を有する3座ターピリジン配位子であって、
該ピリジン構造のうちの少なくとも1つにはアリール基を介して電子吸引基が結合し残りのピリジン構造にはカルボキシ基が結合しているものである。
The ligand of the present invention is
A tridentate terpyridine ligand having three pyridine structures,
At least one of the pyridine structures is bonded with an electron-withdrawing group via an aryl group, and the remaining pyridine structure is bonded with a carboxy group.

本発明では、吸収波長帯域(吸収端)を大きく変えることなく吸光係数を増大させることができる。こうした効果が得られる理由は、以下のように推察される。すなわち、本発明では、ルテニウムなどの金属の配位子場に直接寄与しているターピリジンにアリール基を介して電子吸引基を導入する。これにより、3座ターピリジン配位子を有する金属錯体の電子密度のバランスを保ちつつ電子吸引基による吸収波長帯域を保ち、吸光係数を増大させる効果が得られるためと推察される。   In the present invention, the extinction coefficient can be increased without greatly changing the absorption wavelength band (absorption edge). The reason why such an effect can be obtained is assumed as follows. That is, in the present invention, an electron withdrawing group is introduced into the terpyridine directly contributing to the ligand field of a metal such as ruthenium via an aryl group. This is presumably because the effect of increasing the extinction coefficient by maintaining the absorption wavelength band by the electron withdrawing group while maintaining the balance of the electron density of the metal complex having a tridentate terpyridine ligand is obtained.

色素増感型太陽電池モジュール10の構成の概略の一例を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a schematic configuration of the dye-sensitized solar cell module 10. 色素増感型太陽電池40の構成の概略の一例を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an example of a schematic configuration of a dye-sensitized solar cell 40. 配位子の合成経路を示す説明図。Explanatory drawing which shows the synthetic route of a ligand. 配位子の合成経路を示す説明図。Explanatory drawing which shows the synthetic route of a ligand. 配位子の合成経路を示す説明図。Explanatory drawing which shows the synthetic route of a ligand. 配位子の1H−NMR結果。 1 H-NMR result of the ligand. 配位子のMALDI−MS質量分析結果。MALDI-MS mass spectrometry result of the ligand. 錯体色素の合成経路を示す説明図。Explanatory drawing which shows the synthetic pathway of a complex pigment | dye. 錯体色素の精製手順を示す説明図。Explanatory drawing which shows the refinement | purification procedure of a complex pigment | dye. 錯体色素の1H−NMR結果。 1 H-NMR result of the complex dye. 錯体色素のMALDI−MS質量分析結果。MALDI-MS mass spectrometry result of complex dye. 実施例1及び比較例1の金属錯体の吸収スペクトル。The absorption spectrum of the metal complex of Example 1 and Comparative Example 1. 分子軌道計算による錯体色素の最高被占軌道(HOMO)−最低空軌道(LUMO)エネルギーギャップの計算結果。Calculation results of the highest occupied molecular orbital (HOMO) -lowest orbital (LUMO) energy gap of a complex dye by molecular orbital calculation. 実施例1及び比較例1の色素増感型太陽電池の外部量子効率(IPCE)スペクトル。The external quantum efficiency (IPCE) spectrum of the dye-sensitized solar cell of Example 1 and Comparative Example 1. 実施例1及び比較例1の色素増感型太陽電池の太陽電池特性の測定結果。The measurement result of the solar cell characteristic of the dye-sensitized solar cell of Example 1 and Comparative Example 1.

本発明の色素増感型太陽電池モジュールの一実施形態を図面を用いて説明する。図1は、色素増感型太陽電池モジュール10の構成の概略の一例を示す断面図である。図1に示すように、本実施形態に係る色素増感型太陽電池モジュール10は、透明導電性基板14上に複数の色素増感型太陽電池40(以下セルとも称する)が順次配列した構成となっている。これらのセルは直列に接続されている。この色素増感型太陽電池モジュール10では、各セルの間を埋めるように、シール材32が形成されており、透明導電性基板14とは反対側のシール材32の面に平板状の保護部材34が形成されている。本実施形態に係る色素増感型太陽電池40は、光が透過する透明基板11の表面に透明導電膜12が形成されている透明導電性基板14と、透明導電膜12に形成され色素を含む多孔質半導体層24と、多孔質半導体層24に対して電解質層26を介して設けられた対極30と、を備えている。光電極20は、透明導電性基板14と、透明基板11の受光面13の反対側の面に分離形成された透明導電膜12に配設され受光に伴い電子を放出する多孔質半導体層24とを備えている。この色素増感型太陽電池40は、多孔質体に電解液を含んで形成された電解質層26を備えており、電解液を介して発電可能な構成となっている。   An embodiment of the dye-sensitized solar cell module of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an example of a schematic configuration of a dye-sensitized solar cell module 10. As shown in FIG. 1, the dye-sensitized solar cell module 10 according to this embodiment has a configuration in which a plurality of dye-sensitized solar cells 40 (hereinafter also referred to as cells) are sequentially arranged on a transparent conductive substrate 14. It has become. These cells are connected in series. In this dye-sensitized solar cell module 10, a sealing material 32 is formed so as to fill between the cells, and a flat protective member is provided on the surface of the sealing material 32 on the side opposite to the transparent conductive substrate 14. 34 is formed. The dye-sensitized solar cell 40 according to this embodiment includes a transparent conductive substrate 14 having a transparent conductive film 12 formed on the surface of a transparent substrate 11 through which light is transmitted, and a dye formed on the transparent conductive film 12. A porous semiconductor layer 24 and a counter electrode 30 provided on the porous semiconductor layer 24 via an electrolyte layer 26 are provided. The photoelectrode 20 is disposed on the transparent conductive substrate 14 and the transparent conductive film 12 formed separately on the surface opposite to the light receiving surface 13 of the transparent substrate 11 and is provided with a porous semiconductor layer 24 that emits electrons upon receiving light. It has. This dye-sensitized solar cell 40 includes an electrolyte layer 26 formed by containing an electrolyte solution in a porous body, and has a configuration capable of generating power via the electrolyte solution.

透明導電性基板14は、透明基板11と透明導電膜12とにより構成され、光透過性及び導電性を有するものである。具体的には、フッ素ドープSnO2コートガラス、ITOコートガラス、ZnO:Alコートガラス、アンチモンドープ酸化スズ(SnO2−Sb)コートガラス等が挙げられる。また、酸化スズや酸化インジウムに原子価の異なる陽イオン若しくは陰イオンをドープした透明電極、メッシュ状、ストライプ状など光が透過できる構造にした金属電極をガラス基板等の基板上に設けたものも使用できる。この透明導電性基板14の透明導電膜12側の両端には、集電電極16,17が設けられており、この集電電極16,17を介して色素増感型太陽電池40で発電した電力を利用することができる。 The transparent conductive substrate 14 is composed of the transparent substrate 11 and the transparent conductive film 12, and has light transmittance and conductivity. Specific examples include fluorine-doped SnO 2 coated glass, ITO coated glass, ZnO: Al coated glass, and antimony-doped tin oxide (SnO 2 —Sb) coated glass. Also, a transparent electrode obtained by doping tin oxide or indium oxide with cations or anions having different valences, or a metal electrode having a structure capable of transmitting light, such as a mesh shape or a stripe shape, provided on a substrate such as a glass substrate. Can be used. Current collecting electrodes 16 and 17 are provided at both ends of the transparent conductive substrate 14 on the transparent conductive film 12 side. Electric power generated by the dye-sensitized solar cell 40 via the current collecting electrodes 16 and 17 is provided. Can be used.

透明基板11としては、例えば、透明ガラス、透明プラスチック板、透明プラスチック膜、無機物透明結晶体などが挙げられ、このうち、透明ガラスが好ましい。この透明基板11は、透明なガラス基板、ガラス基板表面を適当に荒らすなどして光の反射を防止したもの、すりガラス状の半透明のガラス基板など光を透過するものなどとしてもよい。透明導電膜12は、例えば、透明基板11上に酸化スズを付着させることにより形成することができる。特に、フッ素をドープした酸化スズ(FTO)等の金属酸化物を用いれば、好適な透明導電膜12を形成することができる。透明導電膜12は、所定の間隔に溝18が形成されており、この溝18の幅に相当する間隔を隔てて複数の透明導電膜12の領域が分離形成されている。   Examples of the transparent substrate 11 include transparent glass, a transparent plastic plate, a transparent plastic film, and an inorganic transparent crystal, and among these, transparent glass is preferable. The transparent substrate 11 may be a transparent glass substrate, a glass substrate whose surface is appropriately roughened to prevent reflection of light, or a transparent glass substrate such as a ground glass-like translucent glass substrate. The transparent conductive film 12 can be formed, for example, by depositing tin oxide on the transparent substrate 11. In particular, if a metal oxide such as tin oxide (FTO) doped with fluorine is used, a suitable transparent conductive film 12 can be formed. In the transparent conductive film 12, grooves 18 are formed at predetermined intervals, and a plurality of regions of the transparent conductive film 12 are separately formed at intervals corresponding to the width of the grooves 18.

多孔質半導体層24は、光増感剤である金属錯体と、金属錯体を含む多孔質のn型半導体層とにより形成されている。n型半導体としては、金属酸化物半導体や金属硫化物半導体などが適しており、例えば、酸化チタン(TiO2)、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、硫化カドミウム(CdS)、硫化亜鉛(ZnS)のうち少なくとも1以上であることが好ましく、このうち多孔質の酸化チタンがより好ましい。これらの半導体材料を微結晶又は多結晶状態にして薄膜化することにより、良好な多孔質のn型半導体層を形成することができる。特に、多孔質の酸化チタン層は、光電極20が有するn型半導体層として好適である。また、酸化チタンとしては、伝導帯の下端のエネルギー準位がより高く、開放端電圧がより高いことから、ルチル型TiO2よりもアナターゼ型TiO2が好ましい。 The porous semiconductor layer 24 is formed of a metal complex that is a photosensitizer and a porous n-type semiconductor layer containing the metal complex. As the n-type semiconductor, a metal oxide semiconductor or a metal sulfide semiconductor is suitable. For example, titanium oxide (TiO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), cadmium sulfide (CdS), sulfide It is preferable that it is at least 1 or more among zinc (ZnS), and among these, porous titanium oxide is more preferable. By thinning these semiconductor materials into a microcrystalline or polycrystalline state, a good porous n-type semiconductor layer can be formed. In particular, the porous titanium oxide layer is suitable as an n-type semiconductor layer included in the photoelectrode 20. Further, as titanium oxide, anatase TiO 2 is preferable to rutile TiO 2 because the energy level at the lower end of the conduction band is higher and the open-circuit voltage is higher.

金属錯体は、アニオン性錯体と、アニオン性錯体に付属する対カチオンと、を有している。このアニオン性錯体は、遷移金属イオンと、該金属イオンに配位する3つのピリジン構造を有し、該ピリジン構造のうちの少なくとも1つにはアリール基を介して電子吸引基が結合し残りのピリジン構造にはカルボキシ基が結合している3座ターピリジン配位子と、を有している。カルボキシ基は、プロトンが電離していてもよい。アリール基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、アントリル基などが挙げられる。電子吸引基としては、例えば、ハロゲン基、ハロゲン化アルキル基(CF3など)、シアノ基、ニトロ基、アルデヒド基、カルボキシ基、トシル基、メシル基、アシル基などが挙げられる。このうち、ハロゲン基、ハロゲン化アルキル基、シアノ基などが好ましい。電子吸引性が特に高いからである。 The metal complex has an anionic complex and a counter cation attached to the anionic complex. This anionic complex has a transition metal ion and three pyridine structures coordinated to the metal ion, and at least one of the pyridine structures has an electron withdrawing group bonded thereto via an aryl group, and the rest The pyridine structure has a tridentate terpyridine ligand to which a carboxy group is bonded. In the carboxy group, protons may be ionized. Examples of the aryl group include a phenyl group, a naphthyl group, and an anthryl group. Examples of the electron withdrawing group include a halogen group, a halogenated alkyl group (such as CF 3 ), a cyano group, a nitro group, an aldehyde group, a carboxy group, a tosyl group, a mesyl group, and an acyl group. Of these, a halogen group, a halogenated alkyl group, a cyano group and the like are preferable. This is because the electron withdrawing property is particularly high.

この金属錯体は、例えば、基本式(1)で表されるものとしてもよい。基本式(1)に示すように、アニオン性錯体は、3座ターピリジン配位子と、更に、1価のアニオン配位子を3つ(式(1)中のL1、L2及びL3)、遷移金属Mに配位したものとしてもよい。 This metal complex may be represented, for example, by the basic formula (1). As shown in the basic formula (1), the anionic complex is composed of a tridentate terpyridine ligand and three monovalent anionic ligands (L 1 , L 2 and L 3 in the formula (1)). ), Coordinated to the transition metal M.

基本式(1)において、R1〜R3は、少なくとも1つがアリール基を介して電子吸引基が結合した構造であり残りがカルボキシ基である。R1〜R3のうちの複数がアリール基を介して電子吸引基が結合した構造である場合、それらは同種であってもよいし異種であってもよい。R1〜R3は、例えば、式(2)〜(5)に示す官能基のうちのいずれかであるものとしてもよい。式(3)において、R4〜R8は、全てが同じでも全てが異なっても一部が同じで一部が異なってもよく、電子吸引基又は水素である。式(4)において、R9〜R15は、全てが同じでも全てが異なっても一部が同じで一部が異なってもよく、電子吸引基又は水素である。式(5)において、R16〜R24は、全てが同じでも全てが異なっても一部が同じで一部が異なってもよく、電子吸引基又は水素である。基本式(1)において、R1〜R3は、全てが同じでも全てが異なっても一部が同じで一部が異なってもよい。なお、式(1)において、−及び+の符号は、アニオンであるかカチオンであるかを示すものであり、具体的な価数を示すものではない。このため、アニオン性錯体は一価のアニオンでなくてもよいし、対カチオンは一価のカチオンでなくてもよい。 In the basic formula (1), at least one of R 1 to R 3 has a structure in which an electron withdrawing group is bonded via an aryl group, and the remainder is a carboxy group. When a plurality of R 1 to R 3 have a structure in which an electron withdrawing group is bonded via an aryl group, they may be the same or different. R 1 to R 3 may be any one of the functional groups represented by formulas (2) to (5), for example. In the formula (3), R 4 to R 8 may be all the same or all different but may be the same in part and different in part, and are an electron withdrawing group or hydrogen. In the formula (4), R 9 to R 15 may be all the same, all different, or the same in part and different in part, and are an electron withdrawing group or hydrogen. In the formula (5), R 16 to R 24 may be all the same or all different but may be the same and partly different, and are an electron withdrawing group or hydrogen. In the basic formula (1), R 1 to R 3 may be all the same or all different or may be partially the same and partially different. In addition, in Formula (1), the sign of-and + shows whether it is an anion or a cation, and does not show a specific valence. For this reason, the anionic complex may not be a monovalent anion, and the counter cation may not be a monovalent cation.

基本式(1)において、aは1以上4以下の整数であり、aは1であることが好ましい。また、aが1であるときには、R1は、ピリジン構造のNに対向する位置に結合していることが好ましい。また、aが2以上である場合、R1は、それぞれが同じ官能基であってもよいし、異なる官能基であってもよい。bは1以上3以下の整数であり、bは1であることが好ましい。また、bが1であるときには、R2は、ピリジン構造のNに対向する位置に結合していることが好ましい。また、bが2以上である場合、R2は、それぞれが同じ官能基であってもよいし、異なる官能基であってもよい。cは1以上4以下の整数であり、cは1であることが好ましい。また、cが1であるときには、R3は、ピリジン構造のNに対向する位置に結合していることが好ましい。また、cが2以上である場合、R3は、それぞれが同じ官能基であってもよいし、異なる官能基であってもよい。 In the basic formula (1), a is an integer of 1 to 4, and a is preferably 1. When a is 1, R 1 is preferably bonded to a position facing N of the pyridine structure. When a is 2 or more, each R 1 may be the same functional group or different functional groups. b is an integer of 1 to 3, and b is preferably 1. When b is 1, R 2 is preferably bonded to a position facing N of the pyridine structure. When b is 2 or more, each R 2 may be the same functional group or a different functional group. c is an integer of 1 or more and 4 or less, and c is preferably 1. When c is 1, R 3 is preferably bonded to a position facing N of the pyridine structure. Moreover, when c is 2 or more, each R 3 may be the same functional group or a different functional group.

基本式(1)において、Mは、遷移金属である。この遷移金属は、Fe,Ru,Os,Pt,Ir,Re,Rh及びPdから選択される1以上であるものとしてもよい。このうち、Ru,Osが好ましく、Ruがより好ましい。この遷移金属は、例えば、2価の八面体構造を有する遷移金属イオンであることが好ましい。   In the basic formula (1), M is a transition metal. This transition metal may be one or more selected from Fe, Ru, Os, Pt, Ir, Re, Rh, and Pd. Of these, Ru and Os are preferable, and Ru is more preferable. This transition metal is preferably a transition metal ion having a divalent octahedral structure, for example.

基本式(1)において、L1,L2,L3は、1座配位子(1価のアニオン配位子)であるものとしてもよい。これらの配位子L1,L2,L3は、全てが同じでも全てが異なっても一部が同じで一部が異なってもよい。このうち、これらの配位子は全て同じであることがより好ましい。これらの配位子L1,L2,L3は、例えば、−F、−Cl、−Br、−I、−OH、−CN、−SCN、−NCSから選択される1以上であるものとしてもよい。このうち、−SCN及び−NCSが好ましく、−NCS(イソチオシアネート基)がより好ましい。 In the basic formula (1), L 1 , L 2 and L 3 may be monodentate ligands (monovalent anionic ligands). These ligands L 1 , L 2 , and L 3 may be all the same or all different or may be partially the same and partially different. Among these, it is more preferable that all of these ligands are the same. These ligands L 1 , L 2 , and L 3 are assumed to be one or more selected from, for example, —F, —Cl, —Br, —I, —OH, —CN, —SCN, and —NCS. Also good. Among these, -SCN and -NCS are preferable, and -NCS (isothiocyanate group) is more preferable.

基本式(1)において、Z+は対カチオンであり、nは1以上2以下である。こうしたものでは、ピリジン構造に結合したカルボキシ基として、プロトンが電離していないものが1つ以上存在する。カチオンとしては、例えば、H+、K+、Na+、Cs+などのアルカリ金属のカチオンとしてもよいし、アンモニウムカチオンや、テトラn−ブチルアンモニウム(TBA)などの第4級アンモニウムカチオンとしてもよい。第4級アンモニウムカチオンとしては、例えば、炭素数1〜8のアルキル直鎖を有するもの(側鎖を有していてもよい)などが好ましく、TBAがより好ましい。 In the basic formula (1), Z + is a counter cation, and n is 1 or more and 2 or less. In such a case, there are one or more carboxy groups bonded to the pyridine structure in which protons are not ionized. The cation may be, for example, an alkali metal cation such as H + , K + , Na + , or Cs +, or may be an ammonium cation or a quaternary ammonium cation such as tetra n-butylammonium (TBA). . As the quaternary ammonium cation, for example, those having an alkyl straight chain having 1 to 8 carbon atoms (which may have a side chain) are preferable, and TBA is more preferable.

この金属錯体では、上述した3つのピリジン構造のうち、2つには直接カルボキシ基が結合し、残りの1つにはアリール基を介して電子吸引基が結合していることが好ましい。例えば、上述した式(1)においては、R1〜R3のうちの2つがカルボキシ基(式(2))で、残りの1つがアリール基を介して電子吸引基が結合した構造(例えば式(3)〜(5))であることが好ましい。なかでも、R1及びR2がカルボキシ基(式(2))で、R3がアリール基を介して電子吸引基が結合した構造(例えば式(3)〜(5))であるか、R2及びR3がカルボキシ基(式(2))でR1がアリール基を介して電子吸引基が結合した構造(例えば式(3)〜(5))であることがより好ましい。 In this metal complex, it is preferable that a carboxy group is directly bonded to two of the three pyridine structures described above, and an electron withdrawing group is bonded to the remaining one through an aryl group. For example, in the above-described formula (1), two of R 1 to R 3 are carboxy groups (formula (2)), and the other one is a structure in which an electron withdrawing group is bonded via an aryl group (for example, the formula (3) to (5)) are preferable. Among them, R 1 and R 2 are carboxy groups (formula (2)) and R 3 is a structure in which an electron withdrawing group is bonded via an aryl group (for example, formulas (3) to (5)), or R More preferably, 2 and R 3 are a carboxy group (formula (2)) and R 1 is a structure in which an electron withdrawing group is bonded via an aryl group (eg, formulas (3) to (5)).

この金属錯体では、上述したピリジン構造の少なくとも1つには、式(6)〜(9)から選択される1以上が電子吸引基が結合したアリール基として結合していることが好ましい。例えば、上述した式(1)においては、アリール基を介して電子吸引基が結合した構造は、式(6)〜(9)から選択されるものであることが好ましい。こうしたものでは、吸光係数をより増大できると考えられるからである。   In this metal complex, it is preferable that at least one selected from the formulas (6) to (9) is bonded to at least one of the pyridine structures described above as an aryl group to which an electron withdrawing group is bonded. For example, in the formula (1) described above, the structure in which the electron withdrawing group is bonded via the aryl group is preferably selected from the formulas (6) to (9). This is because it is considered that the absorption coefficient can be further increased.

この金属錯体では、上述した遷移金属イオンには、3座ターピリジン配位子の他に、3つのイソチオシアネート基が配位子として配位していることが好ましい。また、この金属錯体では、対カチオンは、テトラブチルアンモニウムカチオン(TBA)であることが好ましい。   In this metal complex, it is preferable that three isothiocyanate groups are coordinated as a ligand in addition to the tridentate terpyridine ligand to the transition metal ion described above. In this metal complex, the counter cation is preferably a tetrabutylammonium cation (TBA).

こうした金属錯体としては、より具体的には、基本式(10)で表されるものであることが好ましい。基本式(10)において、R4〜R8は、全てが同じでも全てが異なっても一部が同じで一部が異なってもよく、電子吸引基又は水素である。Z+は対カチオンであり、nは1以上2以下である。 More specifically, such a metal complex is preferably one represented by the basic formula (10). In the basic formula (10), all of R 4 to R 8 may be the same or all different, but the same or part may be different and are an electron withdrawing group or hydrogen. Z + is a counter cation, and n is 1 or more and 2 or less.

この金属錯体は、以下に示す製造方法によって得られたものとしてもよい。以下では、本発明の金属錯体の製造方法について説明する。この製造方法は、例えば、(1)3座ターピリジン配位子を合成する配位子合成工程と、(2)配位子を遷移金属イオンに配位させ金属錯体を合成する金属錯体合成工程と、を含むものとしてもよい。   This metal complex may be obtained by the production method shown below. Below, the manufacturing method of the metal complex of this invention is demonstrated. This production method includes, for example, (1) a ligand synthesis step for synthesizing a tridentate terpyridine ligand, and (2) a metal complex synthesis step for synthesizing a metal complex by coordinating a ligand to a transition metal ion. , May be included.

(1)配位子合成工程
この工程では、アリール基を介して電子吸引基が結合したピリジン構造の2位又は6位に−X(Xはハロゲン基)が結合した電子吸引基結合ハロゲン化物と、2,2’−ビピリジン構造の6位又は6’位に−SnR3(Rはアルキル基)が結合した有機スズ化合物とを用いて、クロスカップリングさせることにより、3座ターピリジン配位子を合成してもよい。また、アリール基を介して電子吸引基が結合したピリジン構造の2位又は6位に−SnR3(Rはアルキル基)が結合した電子吸引基結合有機スズ化合物と、2,2’−ビピリジン構造の6位又は6’位に−X(Xはハロゲン基)が結合したハロゲン化物とを用いて、クロスカップリングさせることにより、3座ターピリジン配位子を合成してもよい。前者で用いる電子吸引基結合ハロゲン化物は、後者で用いる電子吸引基結合有機スズ化合物よりも単離が容易であり、好ましい。一方、後者では、前者に比して高い収率で3座ターピリジン配位子が得られるため、好ましい。電子吸引基結合ハロゲン化物及びハロゲン化物において、Xはハロゲン基であればよいが、Br基であることがより好ましい。また、有機スズ化合物及び電子吸引基結合有機スズ化合物において、Rはアルキル基であればよいが、メチル基であることがより好ましい。また、ハロゲン化物及び有機スズ化合物において、ビピリジン構造を構成する各ピリジンには、カルボキシ基又はアルコキシカルボニル基が結合していることが好ましく、各ピリジンのNに対向する位置にカルボキシ基又はアルコキシカルボニル基が結合していることがより好ましい。アルコキシカルボニル基としては、メトキシカルボニル基が好ましい。電子吸引基結合ハロゲン化物や有機スズ化合物、電子吸引基結合有機スズ化合物、ハロゲン化物において、アリール基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、アントリル基などが挙げられる。このうち、フェニル基が好ましい。また、電子吸引基としては、例えば、ハロゲン基、ハロゲン化アルキル基(CF3など)、シアノ基、ニトロ基、アルデヒド基、カルボキシ基、トシル基、メシル基、フェニル基、アシル基などが挙げられる。このうち、ハロゲン基、ハロゲン化アルキル基、シアノ基などが好ましい。クロスカップリングの方法は特に限定されないが、例えばパラジウム触媒の作用によりクロスカップリングさせるものとしてもよい。
(1) Ligand synthesis step In this step, an electron-withdrawing group-bonded halide in which -X (X is a halogen group) is bonded to the 2-position or 6-position of the pyridine structure to which an electron-withdrawing group is bonded via an aryl group; And a tridentate terpyridine ligand by cross-coupling with an organotin compound in which —SnR 3 (R is an alkyl group) is bonded to the 6-position or 6′-position of the 2,2′-bipyridine structure. You may synthesize. Further, an electron-withdrawing group-bonded organotin compound in which —SnR 3 (R is an alkyl group) is bonded to the 2-position or 6-position of a pyridine structure in which an electron-withdrawing group is bonded via an aryl group; and a 2,2′-bipyridine structure A tridentate terpyridine ligand may be synthesized by cross-coupling with a halide in which —X (X is a halogen group) is bonded to the 6-position or 6′-position. The electron-withdrawing group-bonded halide used in the former is preferable because it is easier to isolate than the electron-withdrawing group-bonded organotin compound used in the latter. On the other hand, the latter is preferable because a tridentate terpyridine ligand can be obtained in a higher yield than the former. In the electron-withdrawing group-bonded halide and halide, X may be a halogen group, but more preferably a Br group. In the organotin compound and the electron-withdrawing group-bonded organotin compound, R may be an alkyl group, but more preferably a methyl group. In the halide and organotin compound, each pyridine constituting the bipyridine structure is preferably bonded to a carboxy group or an alkoxycarbonyl group, and a carboxy group or an alkoxycarbonyl group is located at a position opposite to N of each pyridine. Is more preferably bonded. As the alkoxycarbonyl group, a methoxycarbonyl group is preferable. In the electron-withdrawing group-bonded halide, organotin compound, electron-withdrawing group-bonded organotin compound, and halide, examples of the aryl group include a phenyl group, a naphthyl group, and an anthryl group. Of these, a phenyl group is preferred. Examples of the electron withdrawing group include a halogen group, a halogenated alkyl group (such as CF 3 ), a cyano group, a nitro group, an aldehyde group, a carboxy group, a tosyl group, a mesyl group, a phenyl group, and an acyl group. . Of these, a halogen group, a halogenated alkyl group, a cyano group and the like are preferable. The method of cross coupling is not particularly limited, and for example, cross coupling may be performed by the action of a palladium catalyst.

この工程では、式(11)で表される電子吸引基結合ハロゲン化物と式(12)で表される有機スズ化合物とをクロスカップリングさせるか、式(13)で表される電子吸引基結合スズ化合物と式(14)で表されるハロゲン化物とをクロスカップリングさせて、3座ターピリジン配位子を合成することが好ましい。式(11)〜(14)において、Xはハロゲン基であればよいがBr基であることが好ましい。Rはアルキル基であればよいがメチル基であることが好ましい。R101及びR102はアリール基を介して電子吸引基が結合した構造又はアルコキシカルボニル基であればよいが、両方がアルコキシカルボニル基であることが好ましく、メトキシカルボニル基であることがより好ましい。R103はアリール基を介して電子吸引基が結合した構造であればよいが、例えば、上述した式(3)〜(5)で示されるものであることが好ましく、上述した式(6)〜(9)で示されるものであることがより好ましい。aは1以上4以下の整数であり、bは1以上3以下の整数であり、cは1以上4以下の整数であればよいが、全て1であることがより好ましい。 In this step, the electron-withdrawing group bond halide represented by the formula (11) and the organotin compound represented by the formula (12) are cross-coupled, or the electron-withdrawing group bond represented by the formula (13) It is preferable to synthesize a tridentate terpyridine ligand by cross-coupling the tin compound and the halide represented by the formula (14). In the formulas (11) to (14), X may be a halogen group, but is preferably a Br group. R may be an alkyl group, but is preferably a methyl group. R 101 and R 102 may have a structure in which an electron withdrawing group is bonded via an aryl group or an alkoxycarbonyl group, but both are preferably an alkoxycarbonyl group, and more preferably a methoxycarbonyl group. R 103 may have a structure in which an electron withdrawing group is bonded via an aryl group. For example, R 103 is preferably one represented by the above formulas (3) to (5), and the above formulas (6) to (6) It is more preferable that it is shown by (9). a is an integer of 1 or more and 4 or less, b is an integer of 1 or more and 3 or less, and c may be an integer of 1 or more and 4 or less, but is preferably 1 in all cases.

この工程では、式(15)で表される電子吸引基結合ハロゲン化物と式(16)で表される有機スズ化合物とをクロスカップリングさせるか、式(17)で表される電子吸引基結合スズ化合物と式(18)で表されるハロゲン化物とをクロスカップリングさせて、3座ターピリジン配位子を合成することがより好ましい。式(15)〜(18)において、Xはハロゲン基であればよいがBr基であることが好ましい。Rはアルキル基であればよいがメチル基であることが好ましい。R104〜R108は、全てが同じでも全てが異なっても一部が同じで一部が異なってもよく、電子吸引基又は水素である。R109及びR110は、同種でも異種でもよく、水素又はアルキル基であり、いずれもメチル基であることが好ましい。 In this step, the electron-withdrawing group bond halide represented by the formula (15) and the organotin compound represented by the formula (16) are cross-coupled or the electron-withdrawing group bond represented by the formula (17) is used. It is more preferable to synthesize a tridentate terpyridine ligand by cross-coupling the tin compound and the halide represented by the formula (18). In formulas (15) to (18), X may be a halogen group, but is preferably a Br group. R may be an alkyl group, but is preferably a methyl group. R 104 to R 108 may be all the same, all different or partially the same and partially different, and are an electron withdrawing group or hydrogen. R 109 and R 110 may be the same or different and are hydrogen or an alkyl group, and preferably both are methyl groups.

この工程において、電子吸引基結合ハロゲン化物と、有機スズ化合物とをクロスカップリングさせる場合、例えば、以下に示す電子吸引基結合ハロゲン化物合成工程や、有機スズ化合物合成工程を含むものとしてもよい。電子吸引基結合ハロゲン化物合成工程では、ピリジン構造の2位又は6位に−X(Xはハロゲン基)が結合した構造を有するピリジン化合物と、ベンゼン環に電子吸引基が結合した構造を有するベンゼン化合物とを、例えばパラジウム触媒などの触媒を作用させてクロスカップリングさせる処理を行う。このとき、ピリジン化合物はボロニル基などを有し、ベンゼン化合物はBr基などのハロゲン基を有するものとすれば、カップリングが進行しやすい。得られた化合物は、そのまま電子吸引基結合ハロゲン化物として用いてもよいし、−Xを後の有機スズ化合物とのクロスカップリングに適したものに置換する処理を行い、それを電子吸引基結合ハロゲン化物としてもよい。有機スズ化合物合成工程では、まず、ピリジン構造の2位又は6位に−X(Xはハロゲン基)が結合した構造を有するピリジン化合物の−Xを、パラジウム触媒などの触媒存在下でスズ化させて(−SnR3(Rはアルキル基)として)、スズ化ピリジン化合物を得る処理を行う。続いて、得られたスズ化ピリジン化合物と、ピリジン構造の2位及び6位に−X(Xはハロゲン基)が結合した化合物とを、パラジウム触媒などの触媒を作用させてクロスカップリングさせ、−X(Xはハロゲン基)を有するビピリジン化合物を得る処理を行う。最後に、得られたビピリジン化合物の−Xを、パラジウム触媒などの触媒存在下でスズ化させて(−SnR3(Rはアルキル基)として)、有機スズ化合物を得る処理を行う。 In this step, when the electron-withdrawing group-bonded halide and the organotin compound are cross-coupled, for example, an electron-withdrawing group-bonded halide synthesis step and an organotin compound synthesis step described below may be included. In the electron-withdrawing group-bonded halide synthesis step, a pyridine compound having a structure in which —X (X is a halogen group) is bonded to the 2-position or 6-position of the pyridine structure, and benzene having a structure in which an electron-withdrawing group is bonded to the benzene ring For example, a compound such as a palladium catalyst is allowed to act on the compound for cross coupling. At this time, if the pyridine compound has a boronyl group or the like and the benzene compound has a halogen group such as a Br group, the coupling easily proceeds. The obtained compound may be used as an electron-withdrawing group-bonded halide as it is, or is subjected to a treatment for substituting —X with a compound suitable for subsequent cross-coupling with an organotin compound, and then combined with an electron-withdrawing group. It may be a halide. In the organic tin compound synthesis step, first, -X of a pyridine compound having a structure in which -X (X is a halogen group) is bonded to the 2-position or 6-position of the pyridine structure is tinned in the presence of a catalyst such as a palladium catalyst. (As -SnR 3 (wherein R is an alkyl group)), a treatment for obtaining a stannated pyridine compound is performed. Subsequently, the resulting stannic pyridine compound and a compound in which —X (X is a halogen group) bonded to the 2nd and 6th positions of the pyridine structure are cross-coupled by acting a catalyst such as a palladium catalyst, A treatment for obtaining a bipyridine compound having -X (X is a halogen group) is performed. Finally, -X of the obtained bipyridine compound is tinned in the presence of a catalyst such as a palladium catalyst (as -SnR 3 (where R is an alkyl group)) to obtain an organotin compound.

また、この工程において、電子吸引基結合有機スズ化合物と、ハロゲン化物とをクロスカップリングさせる場合、例えば、以下に示す電子吸引基結合有機スズ化合物合成工程や、ハロゲン化物合成工程を含むものとしてもよい。電子吸引基結合有機スズ化合物合成工程では、上述した電子吸引基結合ハロゲン化物合成工程で得られた電子吸引基結合ハロゲン化物の−X(Xはハロゲン基)を、パラジウム触媒などの触媒存在下でスズ化させて(−SnR3(Rはアルキル基)として)もよい。ハロゲン化物合成工程では、上述した有機スズ化合物合成工程において、最後に行うビピリジン化合物の−Xのスズ化を省略し、−Xを有するビピリジン化合物をハロゲン化物として得るものとしてもよい。 In this step, when the electron-withdrawing group-bonded organotin compound and the halide are cross-coupled, for example, the electron-withdrawing group-bonded organotin compound synthesis step and the halide synthesis step shown below may be included. Good. In the electron-withdrawing group-bonded organotin compound synthesizing step, -X (X is a halogen group) of the electron-withdrawing group-bonded halide obtained in the electron-withdrawing group-bonded halide synthesizing step is converted in the presence of a catalyst such as a palladium catalyst. It may be tinned (as -SnR 3 (R is an alkyl group)). In the halide synthesizing step, in the above-described organotin compound synthesizing step, the last -X tinning of the bipyridine compound may be omitted, and the bipyridine compound having -X may be obtained as a halide.

こうして得られた配位子は、3つのピリジン構造を有する3座ターピリジン配位子であって、ピリジン構造のうちの少なくとも1つにはアリール基を介して電子吸引基が結合し残りのピリジン構造にはカルボキシ基が結合している。   The ligand thus obtained is a tridentate terpyridine ligand having three pyridine structures, and at least one of the pyridine structures has an electron-withdrawing group bonded thereto via an aryl group, and the remaining pyridine structure. A carboxy group is bonded to.

(2)金属錯体合成工程
この工程では、合成した3座ターピリジン配位子を遷移金属に配位させたアニオン性錯体と、アニオン性錯体に付属する対カチオンとを含む金属錯体を形成させる処理を行う。この工程では、遷移金属に3座ターピリジン配位子を配位させ、更に1種以上の1座配位子を遷移金属に配位させる処理を行うものとしてもよい。遷移金属としては、Fe,Ru,Os,Pt,Ir,Re,Rh及びPdから選択される1以上が挙げられ、このうちRu,Osなどが好ましい。この遷移金属は、例えば、2価及び3価をとることが可能で、且つ2価イオンでは、八面体構造を有する遷移金属イオンであることが好ましい。また、この工程では、遷移金属塩を用いるが、塩化物を用いることが反応制御の面で、好ましい。この工程では、遷移金属に3座ターピリジン配位子を配位させたのち、遷移金属を還元し、1座配位子を配位させ、対カチオンの置換を行うものとしてもよい。1座配位子(1価のアニオン配位子)としては、例えば、−F、−Cl、−Br、−I、−OH、−CN、−SCN、−NCSから選択される1以上であるものとしてもよい。このうち、−SCN及び−NCSが好ましく、−NCSがより好ましい。また、導入する対カチオンとしては、H+、K+、Na+、Cs+などのアルカリ金属のカチオンとしてもよいし、第4級アンモニウムカチオンとしてもよい。このうち、第4級アンモニウムカチオンが好ましい。
(2) Metal complex synthesis process In this process, the process which forms the metal complex containing the anionic complex which coordinated the synthesized tridentate terpyridine ligand to the transition metal, and the counter cation attached to an anionic complex. Do. In this step, the transition metal may be coordinated with a tridentate terpyridine ligand, and one or more monodentate ligands may be further coordinated with the transition metal. Examples of the transition metal include one or more selected from Fe, Ru, Os, Pt, Ir, Re, Rh, and Pd. Of these, Ru, Os, and the like are preferable. The transition metal can be, for example, divalent or trivalent, and is preferably a transition metal ion having an octahedral structure as a divalent ion. In this step, a transition metal salt is used, but chloride is preferably used in terms of reaction control. In this step, after the tridentate terpyridine ligand is coordinated to the transition metal, the transition metal may be reduced, and the monodentate ligand may be coordinated to replace the counter cation. The monodentate ligand (monovalent anion ligand) is, for example, one or more selected from -F, -Cl, -Br, -I, -OH, -CN, -SCN, and -NCS. It may be a thing. Of these, -SCN and -NCS are preferred, and -NCS is more preferred. The introduced counter cation may be an alkali metal cation such as H + , K + , Na + , or Cs +, or a quaternary ammonium cation. Of these, quaternary ammonium cations are preferred.

この金属錯体は、多孔質のn型半導体の表面に吸着させるものとしてもよい。この吸着は、化学吸着や物理吸着等によって行うことができる。具体的には、多孔質のn型半導体層を透明導電性基板14上に形成したのち、このn型半導体層へ金属錯体を含む溶液を滴下して乾燥する方法や、n型半導体層を形成させた透明導電性基板14を金属錯体を含む溶液に浸漬させたのち乾燥する方法などにより作製することができる。   This metal complex may be adsorbed on the surface of a porous n-type semiconductor. This adsorption can be performed by chemical adsorption or physical adsorption. Specifically, after forming a porous n-type semiconductor layer on the transparent conductive substrate 14, a method of dropping a solution containing a metal complex onto the n-type semiconductor layer and drying it, or forming an n-type semiconductor layer The transparent conductive substrate 14 can be produced by immersing it in a solution containing a metal complex and then drying it.

電解質層26は、対極30と光電極20との間の電子の受け渡しを媒介する層であり、例えば、液状またはゲル状の電解質を含むものとしてもよい。この電解質層26は、例えば、多孔質体に電解液を含む層とすることが好ましい。この多孔質体は、電解液を保持可能であり、電子伝導性を有さない多孔体であれば特に限定されず、例えば、多孔質体として、ルチル型の酸化チタン粒子により形成した多孔体を使用してもよい。この多孔質体は、セパレータの機能を有している。多孔質体は、多孔質半導体層24の裏面25を覆う部分と、多孔質半導体層24のうち裏面25に隣接する側面に密着する顎状の縁部分とを有している。この鍔状の縁部分は、透明基板11に直接、接触している。透明導電性基板14と電解質層26の多孔質体との接続部において、透明導電膜12の一部は、例えばレーザスクライブ等の技術により完全に削りとられ、透明基板11の表面が露出される深さの溝18が形成されている。そして、この溝18に電解質層26の多孔質体の鍔状に形成された縁部分が挿入されている。   The electrolyte layer 26 is a layer that mediates the transfer of electrons between the counter electrode 30 and the photoelectrode 20, and may include, for example, a liquid or gel electrolyte. For example, the electrolyte layer 26 is preferably a layer containing an electrolytic solution in a porous body. The porous body is not particularly limited as long as it is capable of holding an electrolytic solution and does not have electron conductivity. For example, a porous body formed of rutile titanium oxide particles is used as the porous body. May be used. This porous body has a separator function. The porous body has a portion that covers the back surface 25 of the porous semiconductor layer 24 and a jaw-shaped edge portion that is in close contact with the side surface of the porous semiconductor layer 24 adjacent to the back surface 25. This bowl-shaped edge portion is in direct contact with the transparent substrate 11. In the connection portion between the transparent conductive substrate 14 and the porous body of the electrolyte layer 26, a part of the transparent conductive film 12 is completely scraped off by a technique such as laser scribing, and the surface of the transparent substrate 11 is exposed. A groove 18 having a depth is formed. The groove 18 is inserted with an edge portion of the electrolyte layer 26 formed in the shape of a bowl of a porous body.

電解質層26に含まれる電解液は、イオン性液体を含んでいてもよい。イオン性液体としては、例えば、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(EMI−TFSI)、1−アリル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(AMII−TFSI)、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラシアノボレート(EMI−TCB)、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(BMI−BF4)などのイミダゾリウム塩が挙げられる。また、電解液は、イオン性液体に代えて又は加えて有機溶媒を含んでいてもよい。有機溶媒としては、例えば、メトキシプロプオニトリル、アセトニトリル等のニトリル系溶媒、γ−ブチロラクトン、バレロラクトン等のラクトン系溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート系溶媒などのうち1以上などが挙げられる。なお、電解液は、イオン性液体を含むことが好ましい。蒸気圧が低く揮発性の少ない、粘性の高いイオン性液体を電解液の溶媒として用いることにより、金属錯体の溶解性が有機溶媒に対して低く、金属錯体の脱離をより抑制できると考えられるからである。   The electrolyte solution contained in the electrolyte layer 26 may contain an ionic liquid. Examples of the ionic liquid include 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (EMI-TFSI), 1-allyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (AMII-TFSI). ), Imidazolium salts such as 1-ethyl-3-methylimidazolium tetracyanoborate (EMI-TCB) and 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMI-BF4). Further, the electrolytic solution may contain an organic solvent instead of or in addition to the ionic liquid. Examples of the organic solvent include one or more of nitrile solvents such as methoxyproponitrile and acetonitrile, lactone solvents such as γ-butyrolactone and valerolactone, and carbonate solvents such as ethylene carbonate and propylene carbonate. . In addition, it is preferable that electrolyte solution contains an ionic liquid. By using a highly viscous ionic liquid with low vapor pressure and low volatility as the solvent of the electrolyte, it is considered that the solubility of the metal complex is low with respect to the organic solvent, and the elimination of the metal complex can be further suppressed. Because.

電解質層26に含まれる電解液は、酸化還元対を含むものとしてもよい。この酸化還元対によって、光電極20と、対極30との間の電子の受け渡しが媒介される。なお、この電解液の一部は、通常、多孔質体である光電極20に含浸している。酸化還元対としては、I3 -/I-、Br3 -/Br-、ハイドロキノン/キノン、コバルトイオン、鉄イオン等が挙げられ、これらの中でも、特にI3 -/I-を好適に用いることができる。また、電解液には、酸化還元対としてヨウ素を含むイオン性液体(ヨウ素系イオン性液体)を含むことが好ましい。このヨウ素系イオン性液体としては、例えば、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウムヨージド(以下、PMIIと略記する)や、1,2ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムヨージド(DMPII)、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヨージド、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムヨージド、1−アリル−3−エチルイミダゾリウムヨージド、1,3−ジメチルイミダゾリウムヨージド、1,2ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムヨージドなどが挙げられる。 The electrolytic solution contained in the electrolyte layer 26 may include a redox pair. This redox pair mediates the transfer of electrons between the photoelectrode 20 and the counter electrode 30. A part of the electrolytic solution is usually impregnated in the photoelectrode 20 which is a porous body. Examples of the redox pair include I 3 / I , Br 3 / Br , hydroquinone / quinone, cobalt ion, iron ion, etc. Among these, I 3 / I is particularly preferably used. Can do. Moreover, it is preferable that an electrolytic solution contains an ionic liquid containing iodine as a redox pair (iodine ionic liquid). Examples of the iodine-based ionic liquid include 1-propyl-3-methylimidazolium iodide (hereinafter abbreviated as PMII), 1,2 dimethyl-3-propylimidazolium iodide (DMPII), 1- Butyl-3-methylimidazolium iodide, 1-hexyl-3-methylimidazolium iodide, 1-allyl-3-ethylimidazolium iodide, 1,3-dimethylimidazolium iodide, 1,2-dimethyl-3 -Propyl imidazolium iodide etc. are mentioned.

電解質層26に含まれる電解液は、添加剤を含むものとしてもよい。添加剤としては、例えば、グアニジンチオシアネート(GuSCN)や、4−tert−ブチルピリジン(4TBP)、N−メチル−ベンゾイミダゾール等をそれぞれ適宜加えてもよい。電解液中の添加剤の濃度は0.001mol/L以上1.0mol/L以下の範囲であることが好ましい。   The electrolytic solution contained in the electrolyte layer 26 may contain an additive. As the additive, for example, guanidine thiocyanate (GuSCN), 4-tert-butylpyridine (4TBP), N-methyl-benzimidazole, and the like may be appropriately added. The concentration of the additive in the electrolytic solution is preferably in the range of 0.001 mol / L to 1.0 mol / L.

対極30は、電解質層26の裏面27及び鍔状の縁部分とに接触するよう、鍔状の縁部分を有する断面L字状に形成されている。この対極30は、電解質層26の裏面に接続されていると共に、鍔状の縁部分が接続部21を介して隣側の透明導電膜12に接続されている。電解質層26の裏面27と接触するこの対極30の面は、光電極20に対して所定の間隔を隔てて対向している。対極30としては、導電性及び電解質層26との接合性を有するものであれば特に限定されず、例えば、Pt,Au,カーボンなどが挙げられ、このうちカーボンが好ましい。この対極30は、例えば、カーボンブラック粒子と、グラファイト粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子等の導電性酸化物粒子とを構成材料として形成された多孔質の炭素電極としてもよい。なお、この対極30には、例えば、電極反応の速度をより速やかに進行させる観点から、Pt微粒子などの触媒微粒子が分散担持されていてもよい。   The counter electrode 30 is formed in an L-shaped cross section having a bowl-shaped edge portion so as to contact the back surface 27 of the electrolyte layer 26 and the bowl-shaped edge portion. The counter electrode 30 is connected to the back surface of the electrolyte layer 26, and the flange-shaped edge portion is connected to the adjacent transparent conductive film 12 via the connection portion 21. The surface of the counter electrode 30 that is in contact with the back surface 27 of the electrolyte layer 26 faces the photoelectrode 20 at a predetermined interval. The counter electrode 30 is not particularly limited as long as it has conductivity and bondability with the electrolyte layer 26, and examples thereof include Pt, Au, and carbon. Among these, carbon is preferable. The counter electrode 30 may be, for example, a porous carbon electrode formed using carbon black particles, graphite particles, and conductive oxide particles such as anatase-type titanium oxide particles as constituent materials. The counter electrode 30 may be dispersedly supported with catalyst fine particles such as Pt fine particles, for example, from the viewpoint of more rapidly increasing the speed of the electrode reaction.

シール材32は、各色素増感型太陽電池40の外周側を覆うように形成されており、電解質層26中に充填されている電解質が外部へ漏れ出すことを防止することを主な目的として設けられている。シール材32としては、例えば、絶縁性の部材であれば特に限定されずに用いることができ、ポリエチレン、アイオノマー樹脂等の熱可塑性樹脂フィルム、エポキシ系接着剤等を使用することができる。   The sealing material 32 is formed so as to cover the outer peripheral side of each dye-sensitized solar cell 40, and the main purpose is to prevent the electrolyte filled in the electrolyte layer 26 from leaking outside. Is provided. As the sealing material 32, for example, any insulating member can be used without any particular limitation, and a thermoplastic resin film such as polyethylene or ionomer resin, an epoxy adhesive, or the like can be used.

保護部材34は、色素増感型太陽電池40の保護を図る部材であり、例えば、防湿フィルムや保護ガラスなどとすることができる。   The protection member 34 is a member that protects the dye-sensitized solar cell 40, and can be, for example, a moisture-proof film or protective glass.

この色素増感型太陽電池40に対して、透明基板11の受光面13側から光を照射すると、透明導電膜12の受光面15及び受光面23を介して光が多孔質半導体層24へ到達し、色素が光を吸収して電子が発生する。電子は光電極20から透明導電膜12、接続部21を経由して隣の対極30へ移動する。色素増感型太陽電池40では、この電子の移動により起電力が発生し、電池の発電作用が得られる。   When the dye-sensitized solar cell 40 is irradiated with light from the light receiving surface 13 side of the transparent substrate 11, the light reaches the porous semiconductor layer 24 through the light receiving surface 15 and the light receiving surface 23 of the transparent conductive film 12. The dye absorbs light and generates electrons. Electrons move from the photoelectrode 20 to the adjacent counter electrode 30 via the transparent conductive film 12 and the connection portion 21. In the dye-sensitized solar cell 40, an electromotive force is generated by the movement of the electrons, and the power generation action of the battery is obtained.

この色素増感型太陽電池モジュール10では、多孔質半導体層24に増感色素として上述した金属錯体を用いているため、吸収波長帯域(吸収端)を大きく変えることなく吸光係数を増大させることができる。こうした効果が得られる理由は、以下のように推察される。すなわち、八面体構造を有するルテニウムなどの金属の配位子場に直接寄与しているターピリジンにアリール基を介して電子吸引基を導入することによって、3座ターピリジン配位子を有する金属錯体の電子密度のバランスを保ちつつ電子吸引基による吸収波長帯域を保ち、吸光係数を増大させる効果が得られるためと推察される。   In this dye-sensitized solar cell module 10, since the metal complex described above is used as the sensitizing dye in the porous semiconductor layer 24, the absorption coefficient can be increased without greatly changing the absorption wavelength band (absorption edge). it can. The reason why such an effect can be obtained is assumed as follows. That is, by introducing an electron-withdrawing group via an aryl group into a terpyridine that directly contributes to the ligand field of a metal such as ruthenium having an octahedral structure, the electrons of the metal complex having a tridentate terpyridine ligand It is presumed that the effect of increasing the extinction coefficient can be obtained by maintaining the absorption wavelength band by the electron withdrawing group while maintaining the balance of density.

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.

例えば上述した実施形態では、色素増感型太陽電池モジュール10としたが、特にこれに限定されず、色素増感型太陽電池40としてもよい。図2は、色素増感型太陽電池40の構成の概略の一例を示す断面図である。図2では、図1で説明した構成と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。図2に示すように、色素増感型太陽電池40の単体では、電解質層26や対極30を断面をL字状ではなく、鍔状の縁部分を省略して平板状に形成するものとしてもよい。また、対極30は、例えば透明導電性基板14と同じ構成を有するものを用いるものとしてもよいし、透明導電膜12に白金を付着させたものや、白金などの金属薄膜などとしてもよい。更に、電解質層26は、多孔質体を省略し、光電極20と対極30との空間に電解液を収容したものとしてもよい。   For example, in the above-described embodiment, the dye-sensitized solar cell module 10 is used. However, the present invention is not particularly limited thereto, and the dye-sensitized solar cell 40 may be used. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of a schematic configuration of the dye-sensitized solar cell 40. 2, the same components as those described in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. As shown in FIG. 2, in the dye-sensitized solar cell 40 alone, the electrolyte layer 26 and the counter electrode 30 may not be L-shaped in cross section, but may be formed in a flat plate shape without a bowl-shaped edge portion. Good. The counter electrode 30 may be, for example, one having the same configuration as that of the transparent conductive substrate 14, or may be one in which platinum is attached to the transparent conductive film 12, or a metal thin film such as platinum. Further, the electrolyte layer 26 may be configured such that the porous body is omitted and the electrolytic solution is accommodated in the space between the photoelectrode 20 and the counter electrode 30.

以下には、色素増感型太陽電池40を具体的に作製した例を実施例として説明する。   Below, the example which produced the dye-sensitized solar cell 40 concretely is demonstrated as an Example.

[金属錯体の合成]
(実施例1)
実施例1では、金属錯体として、diCF1+nTBA(式(19)参照)を用いた。以下では、diCF1の合成方法について説明する。この方法では、まず、配位子を合成し、この配位子を用いて錯体色素diCF1+nTBAを合成した。
[Synthesis of metal complexes]
Example 1
In Example 1, diCF1 + nTBA (see formula (19)) was used as the metal complex. Below, the synthesis method of diCF1 is demonstrated. In this method, a ligand was first synthesized, and a complex dye diCF1 + nTBA was synthesized using this ligand.

(1)配位子の合成
(1−1)配位子の合成経路
図3〜5は、錯体色素の合成経路を示す説明図である。この合成経路では、図3の工程(a)〜(b)によって合成した化合物2と、図4の工程(c)〜(e)によって合成した化合物5とを用いて、配位子を合成する(図5の工程(f))。以下では、工程(a)〜(f)について説明する。なお、図中、Meはメチル基を示す。
(1) Ligand Synthesis (1-1) Ligand Synthesis Route FIGS. 3 to 5 are explanatory views showing the synthesis route of the complex dye. In this synthetic route, a ligand is synthesized using compound 2 synthesized by steps (a) to (b) in FIG. 3 and compound 5 synthesized by steps (c) to (e) in FIG. (Step (f) in FIG. 5). Below, process (a)-(f) is demonstrated. In the figure, Me represents a methyl group.

工程(a)では、まず、フラスコ内に1−ブロモ3,5−ビス(トリフルオロメチル)ベンゼン(化合物a、1.10mL、6.35mmol)とテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)(0.187mg、0.162mmol)を窒素雰囲気下で1,2−ジメトキシエタンに溶かし、室温で1時間撹拌し、これを溶液Aとした。その後、別のフラスコ中で、(2−クロロ−4−ピリジル)ボロン酸(化合物b、1.0g、6.35mmol)と炭酸ナトリウム(1.21g、10.7mmol)を10mLのイオン交換水中で撹拌しながら、約1時間程度、窒素フローを行いイオン交換水中の酸素と置換し、これを溶液Bとした。そして、溶液Aの入ったフラスコへ、溶液Bをピペットで滴下して混合し、窒素下で約100℃で10時間加熱した。室温まで冷却後、有機層を減圧濃縮し、ろ過して、白色の固体を得た。この固体を乾燥させ、クロロホルムを展開溶媒として、シリカカラムで精製し、約860mgの白い固体を得た。これを化合物1とした。   In step (a), first, 1-bromo 3,5-bis (trifluoromethyl) benzene (compound a, 1.10 mL, 6.35 mmol) and tetrakis (triphenylphosphine) palladium (0) (0) (0 187 mg, 0.162 mmol) was dissolved in 1,2-dimethoxyethane under a nitrogen atmosphere and stirred at room temperature for 1 hour. Then, in another flask, (2-chloro-4-pyridyl) boronic acid (compound b, 1.0 g, 6.35 mmol) and sodium carbonate (1.21 g, 10.7 mmol) were added in 10 mL of ion-exchanged water. While stirring, a nitrogen flow was performed for about 1 hour to replace oxygen in ion-exchanged water. Then, the solution B was dropped into the flask containing the solution A with a pipette, mixed, and heated at about 100 ° C. for 10 hours under nitrogen. After cooling to room temperature, the organic layer was concentrated under reduced pressure and filtered to give a white solid. This solid was dried and purified with a silica column using chloroform as a developing solvent to obtain about 860 mg of a white solid. This was designated Compound 1.

工程(b)では、フラスコ内に化合物1(300mg、0.92mmol)、酢酸(10mL)、臭化水素(8mL)を、窒素雰囲気下で撹拌しながら約24時間加熱還流した。その後、減圧濃縮し、水を約100倍等量入れて、目的物を得た。これを化合物2とした。   In step (b), compound 1 (300 mg, 0.92 mmol), acetic acid (10 mL), and hydrogen bromide (8 mL) were heated to reflux for about 24 hours with stirring in a nitrogen atmosphere. Thereafter, the mixture was concentrated under reduced pressure, and about 100 times equivalent amount of water was added to obtain the desired product. This was designated as Compound 2.

工程(c)では、2−ブロモ−4−ピリジンカルボン酸メチル(化合物c、8.5g、39.53mmol)、ヘキサメチル二スズ(9.0mL、43.48mmol)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)(2.28g、1.98mol)を窒素雰囲気下でトルエンに溶かした。その後、110℃で3時間加熱した。室温まで冷却後、減圧濃縮し、トルエンを展開溶媒として、アルミナカラムを行い、黄色オイルを得た。これを化合物3とした。   In step (c), methyl 2-bromo-4-pyridinecarboxylate (compound c, 8.5 g, 39.53 mmol), hexamethyldistin (9.0 mL, 43.48 mmol), tetrakis (triphenylphosphine) palladium ( 0) (2.28 g, 1.98 mol) was dissolved in toluene under a nitrogen atmosphere. Then, it heated at 110 degreeC for 3 hours. After cooling to room temperature, the mixture was concentrated under reduced pressure and subjected to an alumina column using toluene as a developing solvent to obtain a yellow oil. This was designated as Compound 3.

工程(d)では、化合物3(2.0g、6.668mmol)、2,6−ジブロモピリジン−4−カルボン酸メチル(化合物d、2.0g、6.781mmol)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)(0.01mol等量)を窒素雰囲気下でトルエンに溶かした。その後、110℃で10時間加熱した。室温まで冷却後、減圧濃縮し、ジクロロメタンを展開溶媒として、シリカカラムを行い、白色固体を得た。これを化合物4とした。   In step (d), compound 3 (2.0 g, 6.668 mmol), methyl 2,6-dibromopyridine-4-carboxylate (compound d, 2.0 g, 6.781 mmol), tetrakis (triphenylphosphine) palladium (0) (0.01 mol equivalent) was dissolved in toluene under a nitrogen atmosphere. Then, it heated at 110 degreeC for 10 hours. After cooling to room temperature, the mixture was concentrated under reduced pressure and subjected to silica column using dichloromethane as a developing solvent to obtain a white solid. This was designated as Compound 4.

工程(e)では、化合物4(351mg、1.0mmol)、ヘキサメチル二スズ(0.25mL、1.2mmol)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)(70mg、5.0mol%)を窒素雰囲気下でトルエンに溶かした。その後、110℃で6時間加熱した。室温まで冷却後、減圧濃縮し、ヘキサンと酢酸エチルの混合溶媒を展開溶媒として、アルミナカラムを行い、白色固体を得た。これを化合物5とした。   In step (e), compound 4 (351 mg, 1.0 mmol), hexamethyldistin (0.25 mL, 1.2 mmol), tetrakis (triphenylphosphine) palladium (0) (70 mg, 5.0 mol%) were added in a nitrogen atmosphere. Under dissolved in toluene. Then, it heated at 110 degreeC for 6 hours. After cooling to room temperature, the mixture was concentrated under reduced pressure and subjected to an alumina column using a mixed solvent of hexane and ethyl acetate as a developing solvent to obtain a white solid. This was designated as Compound 5.

工程(f)では、化合物5(150mg、0.345mmol)、化合物2(185mg、0.5mmol)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)(0.001mol等量)を窒素雰囲気下でトルエンに溶かした。その後、110℃で18時間加熱した。室温まで冷却後、減圧濃縮し、クロロホルムを展開溶媒として、分子ふるいクロマトグラフィーを行い、白色固体を得た(22mg、0.0392mmol、収率11%)。これをターピリジンL(配位子)とした。   In the step (f), compound 5 (150 mg, 0.345 mmol), compound 2 (185 mg, 0.5 mmol), tetrakis (triphenylphosphine) palladium (0) (0.001 mol equivalent) was dissolved in toluene under a nitrogen atmosphere. Melted. Then, it heated at 110 degreeC for 18 hours. After cooling to room temperature, the mixture was concentrated under reduced pressure, and subjected to molecular sieve chromatography using chloroform as a developing solvent to obtain a white solid (22 mg, 0.0392 mmol, yield 11%). This was designated as terpyridine L (ligand).

(1−2)配位子の構造確認
工程(f)で得られた配位子(ターピリジンL)について、1H−NMR装置(溶媒は重クロロホルム)とMALDI−MS質量分析装置とにより構造解析を行った。図6に配位子の1H−NMR結果を示す。図6では、芳香族領域におけるプロトンが11個確認された。図7に配位子のMALDI−MS質量分析結果を示す。図7より、配位子は図5のターピリジンLの質量の理論値と概ね一致した。以上より、配位子は、図5のターピリジンLの構造を有していることが確認された。
(1-2) Confirmation of ligand structure Structural analysis of the ligand (terpyridine L) obtained in step (f) using a 1 H-NMR apparatus (solvent is deuterated chloroform) and a MALDI-MS mass spectrometer. Went. FIG. 6 shows the 1 H-NMR result of the ligand. In FIG. 6, 11 protons in the aromatic region were confirmed. FIG. 7 shows the results of MALDI-MS mass spectrometry of the ligand. From FIG. 7, the ligand generally agreed with the theoretical value of the mass of terpyridine L in FIG. 5. From the above, it was confirmed that the ligand had the structure of terpyridine L in FIG.

(2)錯体色素の合成
(2−1)錯体色素の合成経路
図8は、錯体色素の合成経路を示す説明図である。以下では、図8における工程(g)〜(h)について説明する。
(2) Synthesis of Complex Dye (2-1) Synthesis Route of Complex Dye FIG. 8 is an explanatory diagram showing a synthesis route of the complex dye. Hereinafter, steps (g) to (h) in FIG. 8 will be described.

工程(g)では、まず、フラスコ内にターピリジンL(22mg、0.0392mmol)をジクロロメタンに溶解し、エタノールで溶解した塩化ルテニウム・水和物(15.0mg、0.0577mmol)をフラスコ内に入れ、窒素雰囲気下55℃で6時間加熱した。室温まで冷却後、減圧濃縮し、少量のエタノールで洗浄ろ過し、31mgの茶色固体を得た。これを化合物6とした。   In step (g), terpyridine L (22 mg, 0.0392 mmol) was first dissolved in dichloromethane in the flask, and ruthenium chloride hydrate (15.0 mg, 0.0577 mmol) dissolved in ethanol was placed in the flask. The mixture was heated at 55 ° C. for 6 hours under a nitrogen atmosphere. After cooling to room temperature, the solution was concentrated under reduced pressure, washed with a small amount of ethanol and filtered to obtain 31 mg of a brown solid. This was designated as Compound 6.

工程(h)では、化合物6(31mg)、チオシアン酸アンモニウム(200mg)を窒素雰囲気下でN,N−ジメチルホルムアミドに溶かし、加熱環流した。その後、室温まで冷却後、トリエチルアミン2.5mLと水1.0mLを加え、110℃で24時間加熱した。室温まで冷却後、減圧濃縮をし、100mLの水を加え、濃緑色の沈殿物をろ過し、水で洗浄し、粗精製物である錯体色素diCF1+nTEAHカチオン(TEAH:トリエチルアミン)を得た。   In step (h), compound 6 (31 mg) and ammonium thiocyanate (200 mg) were dissolved in N, N-dimethylformamide under a nitrogen atmosphere and heated to reflux. Then, after cooling to room temperature, 2.5 mL of triethylamine and 1.0 mL of water were added and heated at 110 ° C. for 24 hours. After cooling to room temperature, the mixture was concentrated under reduced pressure, 100 mL of water was added, and the dark green precipitate was filtered and washed with water to obtain a complex dye diCF1 + nTEAH cation (TEAH: triethylamine) as a crude product.

(2−2)錯体色素の精製
図9は、錯体色素の精製手順を示す説明図である。錯体色素の精製では、まず、粗精製のdiCF1を混合有機溶媒(クロロホルムとメタノール)に溶解し、シリカカラム精製し、さらにセファデックス(セファデックスは登録商標)を用いメタノールを展開溶媒としてカラム精製をし、目的物であるdiCF1を得た。最後に、少量の水とテトラブチルアンモニウムヒドロキシド溶液で溶解したdiCF1を硝酸で滴定し、最終目的物であるdiCF1+nTBAカチオン(高純度錯体色素)を得た。
(2-2) Purification of Complex Dye FIG. 9 is an explanatory diagram showing a purification procedure of the complex dye. For purification of complex dyes, first, crude diCF1 is dissolved in a mixed organic solvent (chloroform and methanol), purified on a silica column, and further purified using Sephadex (Sephadex is a registered trademark) with methanol as a developing solvent. As a result, the target product diCF1 was obtained. Finally, diCF1 dissolved in a small amount of water and a tetrabutylammonium hydroxide solution was titrated with nitric acid to obtain diCF1 + nTBA cation (high purity complex dye) as the final target.

(2−3)錯体色素の構造確認
精製した錯体色素(diCF1+nTBAカチオン)について、1H−NMR装置(溶媒は重メタノール)とMALDI−MS質量分析装置とにより構造解析を行った。図10に錯体色素の1H−NMR結果を示す。図10では、芳香族領域におけるプロトンが11個確認された。また、TBA+のdiCF1に対するモル比は2.0であることが確認された。図11に錯体色素のMALDI−MS質量分析結果を示す。図11より、diCF1の存在が確認された。以上より、錯体色素は、図9のdiCF1+nTBA(n=2.0)カチオンの構造を有していることが確認された。
(2-3) Structure confirmation of complex dye The purified complex dye (diCF1 + nTBA cation) was subjected to structural analysis using a 1 H-NMR apparatus (solvent is deuterated methanol) and a MALDI-MS mass spectrometer. FIG. 10 shows the 1 H-NMR result of the complex dye. In FIG. 10, 11 protons in the aromatic region were confirmed. It was also confirmed that the molar ratio of TBA + to diCF1 was 2.0. FIG. 11 shows the results of MALDI-MS mass spectrometry of the complex dye. From FIG. 11, the presence of diCF1 was confirmed. From the above, it was confirmed that the complex dye had the structure of diCF1 + nTBA (n = 2.0) cation in FIG.

(比較例1)
比較例1では、金属錯体として、市販のN749(式(20)参照(n=2.9))を用いた。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, commercially available N749 (see formula (20) (n = 2.9)) was used as the metal complex.

[金属錯体の吸収スペクトルの測定]
実施例1及び比較例1の金属錯体について、吸収スペクトルの測定を行った。具体的には、各金属錯体を、0.03mMの濃度となるようにメタノールに溶解し、得られた溶液について、吸収スペクトルを測定した。吸収スペクトルは、分光光度計(日立製作所社製U−3400)により、300nm〜900nmの波長領域で測定した。図12に実施例1及び比較例1の金属錯体の吸収スペクトルを示す。実施例1の金属錯体(diCF1−nTBAカチオン)では、比較例1の金属錯体(N749)よりも、波長400nm付近の吸光係数が約9%向上した。
[Measurement of absorption spectra of metal complexes]
The absorption spectra of the metal complexes of Example 1 and Comparative Example 1 were measured. Specifically, each metal complex was dissolved in methanol so as to have a concentration of 0.03 mM, and the absorption spectrum of the obtained solution was measured. The absorption spectrum was measured with a spectrophotometer (U-3400 manufactured by Hitachi, Ltd.) in a wavelength region of 300 nm to 900 nm. FIG. 12 shows absorption spectra of the metal complexes of Example 1 and Comparative Example 1. In the metal complex of Example 1 (diCF1-nTBA cation), the extinction coefficient in the vicinity of a wavelength of 400 nm was improved by about 9% compared to the metal complex of Comparative Example 1 (N749).

さらにアリール基上の電子吸引性を強くすることにより600nm付近の吸収波長帯域をN749と同等にすることで長波長域(600nm−900nm)における吸収を減らすことなく太陽電池性能を向上させることができると推察された。図13に、分子軌道計算による錯体色素の最高被占軌道(HOMO)−最低空軌道(LUMO)エネルギーギャップの計算結果をN749を1.00とした相対値で示す。実施例1のもの(図中A1)では、HOMO−LUMOエネルギーギャップが比較例1のもの(N749)と比較して大きかったため、実施例1におけるA1を、A2,A4,A5などHOMO−LUMOエネルギーギャップの狭いもの、中でもA4のようにHOMO−LUMOエネルギーギャップのより狭いものとすることで、長波長域の吸収の減少をより抑制できると推察された。なお、電子吸引基としては、FやCF3の他、CN(シアノ基)などを導入しても同様の効果が得られると推察された。また、アリール基としては、フェニル基の他に、ナフチル基、アントリル基などでも同様の効果が得られると推察された。 Furthermore, by enhancing the electron withdrawing property on the aryl group, the absorption wavelength band near 600 nm is made equal to N749, so that the solar cell performance can be improved without reducing the absorption in the long wavelength range (600 nm-900 nm). It was guessed. FIG. 13 shows the calculation result of the highest occupied orbital (HOMO) -lowest orbital (LUMO) energy gap of the complex dye by molecular orbital calculation as a relative value with N749 as 1.00. In Example 1 (A1 in the figure), since the HOMO-LUMO energy gap was larger than that in Comparative Example 1 (N749), A1 in Example 1 was changed to HOMO-LUMO energy such as A2, A4 and A5. It was inferred that a decrease in absorption in the long wavelength region can be further suppressed by using a narrow gap, particularly a narrow HOMO-LUMO energy gap such as A4. It has been inferred that the same effect can be obtained by introducing CN (cyano group) or the like in addition to F and CF 3 as the electron withdrawing group. In addition to the phenyl group, it was speculated that the same effect can be obtained by using a naphthyl group, an anthryl group, or the like as the aryl group.

[色素増感型太陽電池の作製]
実施例1及び比較例1の金属錯体をそれぞれ用いて、実施例1及び比較例1の色素増感型太陽電池を作製した。まず、透明導電膜(TCO)付ガラス基板に、n型半導体であるチタニア(TiO2)を含有するチタニアペーストをスクリーン印刷法で塗工した。このチタニア電極を金属錯体溶液に浸漬し、色素吸着チタニア電極を作製した。この電極のチタニア側と、Ptを担持したTCO基板のPt側を張り合わせ、その間に電解液を封入してシール、色素増感型太陽電池を作製した。
[Production of dye-sensitized solar cell]
Using the metal complexes of Example 1 and Comparative Example 1, respectively, dye-sensitized solar cells of Example 1 and Comparative Example 1 were produced. First, a titania paste containing titania (TiO 2 ), which is an n-type semiconductor, was applied to a glass substrate with a transparent conductive film (TCO) by a screen printing method. This titania electrode was immersed in a metal complex solution to prepare a dye-adsorbing titania electrode. The titania side of this electrode and the Pt side of the TCO substrate carrying Pt were bonded together, and an electrolyte was sealed between them to produce a dye-sensitized solar cell.

電解液は、ヨウ素系化合物として、I2を0.2mol/L、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウムヨージド(PMII)を65体積%、溶媒として、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムイオン(EMI)とビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドイオン(TFSI)からなるイオン液体を35体積%、電荷を有する添加剤として、グアニジンチオシアネート(GuSCN)を0.5mol/L、4−tert−ブチルピリジン(4TBP)を混合した液体を用いた。 The electrolyte was an iodine compound, 0.2 mol / L of I 2 , 65% by volume of 1-propyl-3-methylimidazolium iodide (PMII), and 1-ethyl-3-methylimidazolium ion as a solvent. An ionic liquid composed of (EMI) and bis (trifluoromethanesulfonyl) imide ion (TFSI) is 35% by volume. As an additive having a charge, guanidine thiocyanate (GuSCN) is 0.5 mol / L, 4-tert-butylpyridine (4TBP). ) Was used.

[外部量子効率の測定]
外部量子効率は、分光感度測定装置(分光計器製CEP−2000)を用いて測定した。具体的には、モノクロメーターを用いて単色化した光を、実施例1及び比較例1の色素増感型太陽電池の光電極に照射し、入射光子数に対して得られた電子数を測定することにより、外部量子効率(Incident Photon to Current Conversion Efficiency(IPCE))を求めた。
[Measurement of external quantum efficiency]
The external quantum efficiency was measured using a spectral sensitivity measuring apparatus (CEP-2000 manufactured by Spectrometer Co., Ltd.). Specifically, light monochromatized using a monochromator is applied to the photoelectrodes of the dye-sensitized solar cells of Example 1 and Comparative Example 1, and the number of electrons obtained with respect to the number of incident photons is measured. Thus, the external quantum efficiency (Incident Photon to Current Conversion Efficiency (IPCE)) was obtained.

図14に実施例1及び比較例1の1sun60℃作動耐久試験14日後のセルの外部量子効率(IPCE)の測定結果を示す。図14より、実施例1では、波長400〜600nm付近での量子効率を高めることができることがわかった。   FIG. 14 shows the measurement results of the external quantum efficiency (IPCE) of the cell 14 days after the 1 sun 60 ° C. operation durability test of Example 1 and Comparative Example 1. From FIG. 14, it was found that in Example 1, the quantum efficiency in the vicinity of a wavelength of 400 to 600 nm can be increased.

[太陽電池特性の測定]
1kWのキセノンランプと400Wのハロゲンランプを搭載したAM1.5Gソーラシミュレータ(WXS−155S−L2、ワコム電創社製)とIVテスター(IV−9701、ワコム電創社製)を使い、実施例1及び比較例1の色素増感型太陽電池の電流(I)−電圧(V)特性(IV特性)を計測した。なお、測定には、実施例1及び比較例1の色素増感型太陽電池に、1sun(=1000W/m2)の60℃光を336時間連続照射したものを用いた。
[Measurement of solar cell characteristics]
Example 1 using an AM1.5G solar simulator (WXS-155S-L2, Wacom Denso) and an IV tester (IV-9701, Wacom Denso) equipped with a 1 kW xenon lamp and a 400 W halogen lamp The current (I) -voltage (V) characteristics (IV characteristics) of the dye-sensitized solar cell of Comparative Example 1 were measured. In the measurement, the dye-sensitized solar cells of Example 1 and Comparative Example 1 were irradiated with 1 sun (= 1000 W / m 2 ) of 60 ° C. light for 336 hours.

図15に実施例1及び比較例1の太陽電池特性の測定結果を示す。具体的には、短絡電流密度(Jsc)、開放端電圧(Voc)、形状因子(F.F)、変換効率(Eff)などを示す。これらは、いずれも、比較例1を1.000としたときの相対値で表した。図15に示すように、実施例1では、比較例1と同等以上の性能を示した。   The measurement result of the solar cell characteristic of Example 1 and Comparative Example 1 is shown in FIG. Specifically, a short circuit current density (Jsc), an open circuit voltage (Voc), a form factor (FF), a conversion efficiency (Eff), etc. are shown. These are all expressed as relative values when Comparative Example 1 is 1.000. As shown in FIG. 15, Example 1 showed performance equal to or better than Comparative Example 1.

[結果と考察]
以上より、実施例1のものでは、N749(比較例1)に電子吸引基を導入したものであるが、アリール基を介して電子吸引基を導入したことにより、N749と同等以上の性能を有し、太陽電池として作動することがわかった。また、実施例1では、吸収波長帯域を大きく変えることなく、特に波長400nm付近での吸光係数を増大させることができることがわかった。
[Results and discussion]
As described above, in Example 1, the electron withdrawing group was introduced into N749 (Comparative Example 1). However, by introducing the electron withdrawing group through the aryl group, the performance was equal to or higher than that of N749. And it turned out that it operates as a solar cell. Further, in Example 1, it was found that the extinction coefficient can be increased particularly in the vicinity of the wavelength of 400 nm without largely changing the absorption wavelength band.

本発明は、太陽電池の技術分野に利用可能である。   The present invention can be used in the technical field of solar cells.

10 色素増感型太陽電池モジュール、11 透明基板、12 透明導電膜、13 受光面、14 透明導電性基板、15 受光面、16,17 集電電極、18 溝、20 光電極、21 接続部、23 受光面、24 多孔質半導体層、25 裏面、26 電解質層、27 裏面、30 対極、32 シール材、34 保護部材、40 色素増感型太陽電池。   10 Dye-sensitized solar cell module, 11 Transparent substrate, 12 Transparent conductive film, 13 Light receiving surface, 14 Transparent conductive substrate, 15 Light receiving surface, 16, 17 Current collecting electrode, 18 Groove, 20 Photo electrode, 21 Connection portion, 23 Photosensitive surface, 24 Porous semiconductor layer, 25 Back surface, 26 Electrolyte layer, 27 Back surface, 30 Counter electrode, 32 Sealing material, 34 Protection member, 40 Dye-sensitized solar cell.

Claims (13)

遷移金属イオンと、該遷移金属イオンに配位する3つのピリジン構造を有し、該ピリジン構造のうちの少なくとも1つにはアリール基を介して電子吸引基が結合し残りのピリジン構造にはカルボキシ基が結合している3座ターピリジン配位子と、を有するアニオン性錯体と、
前記アニオン性錯体に付属する対カチオンと、を有し、
前記ピリジン構造の少なくとも1つには、式(1)〜(4)から選択される1以上が、前記電子吸引基の結合したアリール基として結合しており、
前記遷移金属イオンには、前記3座ターピリジン配位子の他に、3つのイソチオシアネート基が配位子として配位している、
金属錯体。
It has a transition metal ion and three pyridine structures coordinated to the transition metal ion. At least one of the pyridine structures has an electron-withdrawing group bonded thereto via an aryl group, and the remaining pyridine structure has a carboxy structure. An anionic complex having a tridentate terpyridine ligand to which a group is bonded;
A counter cation attached to the anionic complex,
At least one selected from the formulas (1) to (4) is bonded to at least one of the pyridine structures as an aryl group to which the electron withdrawing group is bonded,
In addition to the tridentate terpyridine ligand, three isothiocyanate groups are coordinated as ligands to the transition metal ion.
Metal complex.
基本式(5)で表される、請求項1に記載の金属錯体。
(式中、R1〜R3は、少なくとも1つがアリール基を介して電子吸引基が結合した構造であり残りがカルボキシ基である。aは1以上4以下の整数であり、bは1以上3以下の整数であり、cは1以上4以下の整数である。Mは、遷移金属である。L1,L2,L3は、前記イソチオシアネート基である。Z+は対カチオンであり、nは1以上2以下である。)
The metal complex according to claim 1, which is represented by the basic formula (5).
(In the formula, at least one of R 1 to R 3 is a structure in which an electron withdrawing group is bonded via an aryl group, and the remainder is a carboxy group. A is an integer of 1 to 4, and b is 1 or more. C is an integer of 3 or less, c is an integer of 1 to 4. M is a transition metal, L 1 , L 2 and L 3 are the isothiocyanate groups , Z + is a counter cation. , N is 1 or more and 2 or less.)
前記3つのピリジン構造のうち、2つには直接カルボキシ基が結合し、残りの1つにはアリール基を介して電子吸引基が結合している、請求項1又は2に記載の金属錯体。   The metal complex according to claim 1 or 2, wherein a carboxy group is directly bonded to two of the three pyridine structures, and an electron withdrawing group is bonded to the remaining one through an aryl group. 前記遷移金属は、Fe,Ru,Os,Pt,Ir,Re,Rh及びPdから選択される1以上である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の金属錯体。   4. The metal complex according to claim 1, wherein the transition metal is one or more selected from Fe, Ru, Os, Pt, Ir, Re, Rh, and Pd. 前記対カチオンは、テトラブチルアンモニウムカチオンである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の金属錯体。   The metal complex according to any one of claims 1 to 4, wherein the counter cation is a tetrabutylammonium cation. 基本式(6)で表される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の金属錯体。
(式中、R4は、式(1)〜(4)から選択される1以上の基であり、Z+は対カチオンであり、nは1以上2以下である。)
The metal complex according to any one of claims 1 to 5, which is represented by the basic formula (6).
(In the formula, R 4 is one or more groups selected from the formulas (1) to (4), Z + is a counter cation, and n is 1 or more and 2 or less.)
請求項1〜6のいずれか1項に記載の金属錯体を色素として用いた、色素増感型太陽電池。   A dye-sensitized solar cell using the metal complex according to any one of claims 1 to 6 as a dye. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の金属錯体を色素として含む半導体層を透明導電性基板上に備えた光電極と、
前記光電極に向かい合うように配置された対極と、
前記光電極と前記対極との間に介在する電解質層と、
を備えた色素増感型太陽電池。
A photoelectrode comprising a semiconductor layer containing the metal complex according to any one of claims 1 to 7 as a pigment on a transparent conductive substrate;
A counter electrode arranged to face the photoelectrode;
An electrolyte layer interposed between the photoelectrode and the counter electrode;
A dye-sensitized solar cell comprising:
請求項7又は8に記載の色素増感型太陽電池を複数備えている、色素増感型太陽電池モジュール。   A dye-sensitized solar cell module comprising a plurality of the dye-sensitized solar cells according to claim 7 or 8. 3座ターピリジン配位子を有する金属錯体の製造方法であって、アリール基を介して電子吸引基が結合したピリジン構造の2位又は6位に−X(Xはハロゲン基)が結合した電子吸引基結合ハロゲン化物と、2,2’−ビピリジン構造の6位又は6’位に−SnR3(Rはアルキル基)が結合した有機スズ化合物とをクロスカップリングさせるか、アリール基を介して電子吸引基が結合したピリジン構造の2位又は6位に−SnR3(Rはアルキル基)が結合した電子吸引基結合有機スズ化合物と、2,2’−ビピリジン構造の6位又は6’位に−X(Xはハロゲン基)が結合したハロゲン化物とをクロスカップリングさせて、前記3座ターピリジン配位子を合成する配位子合成工程と、
前記合成した3座ターピリジン配位子を遷移金属に配位させたアニオン性錯体とアニオン性錯体に付属する対カチオンとを含む金属錯体を形成させる金属錯体合成工程と、を含み、
前記配位子合成工程では、式(7)〜(10)から選択される1以上の構造を前記電子吸引基の結合したアリール基として結合した前記ピリジン構造を用いる、
金属錯体の製造方法。
A method for producing a metal complex having a tridentate terpyridine ligand, wherein -X (X is a halogen group) is bonded to the 2- or 6-position of the pyridine structure in which the electron-withdrawing group is bonded via an aryl group. The group-bonded halide is cross-coupled with an organotin compound in which —SnR 3 (R is an alkyl group) is bonded to the 6-position or 6′-position of the 2,2′-bipyridine structure, or electrons are bonded via an aryl group. An electron-withdrawing group-bonded organotin compound in which —SnR 3 (R is an alkyl group) is bonded to the 2-position or 6-position of the pyridine structure to which the attractive group is bonded; and the 6-position or 6′-position of the 2,2′-bipyridine structure; A ligand synthesis step of synthesizing the tridentate terpyridine ligand by cross-coupling with a halide to which -X (X is a halogen group) is bonded;
Forming a metal complex comprising an anionic complex in which the synthesized tridentate terpyridine ligand is coordinated to a transition metal and a counter cation attached to the anionic complex,
In the ligand synthesis step, the pyridine structure in which one or more structures selected from formulas (7) to (10) are bonded as an aryl group to which the electron withdrawing group is bonded is used.
A method for producing a metal complex.
前記配位子合成工程では、式(11)で表される前記電子吸引基結合ハロゲン化物と式(12)で表される前記有機スズ化合物とをクロスカップリングさせるか、式(13)で表される前記電子吸引基結合スズ化合物と式(14)で表される前記ハロゲン化物とをクロスカップリングさせて、前記3座ターピリジン配位子を合成する、請求項10に記載の金属錯体の製造方法。
(式中、Xはハロゲン基であり、Rはアルキル基である。R101及びR102は式(7)〜(10)から選択される1以上の構造又はアルコキシカルボニル基であり、R103は式(7)〜(10)から選択される1以上の構造である。aは1以上4以下の整数であり、bは1以上3以下の整数であり、cは1以上4以下の整数である。)
In the ligand synthesis step, the electron-withdrawing group-bonded halide represented by the formula (11) and the organotin compound represented by the formula (12) are cross-coupled or represented by the formula (13). The metal complex according to claim 10, wherein the tridentate terpyridine ligand is synthesized by cross-coupling the electron-withdrawing group-bonded tin compound and the halide represented by the formula (14). Method.
(Wherein X is a halogen group and R is an alkyl group. R 101 and R 102 are one or more structures selected from formulas (7) to (10) or an alkoxycarbonyl group, and R 103 is It is one or more structures selected from formulas (7) to (10), a is an integer of 1 to 4, b is an integer of 1 to 3, and c is an integer of 1 to 4. is there.)
前記配位子合成工程では、2,2’−ビピリジン構造の6位又は6’位に結合した−X(Xはハロゲン基)をスズ化する処理により前記有機スズ化合物を合成し、該有機スズ化合物と前記電子吸引基結合ハロゲン化物とをカップリングさせて、前記3座ターピリジン配位子を合成する、請求項10又は11に記載の金属錯体の製造方法。   In the ligand synthesis step, the organotin compound is synthesized by a tinning process of -X (X is a halogen group) bonded to the 6-position or 6'-position of the 2,2'-bipyridine structure. The method for producing a metal complex according to claim 10 or 11, wherein the tridentate terpyridine ligand is synthesized by coupling a compound and the electron-withdrawing group-bonded halide. 前記金属錯体合成工程では、前記遷移金属に前記3座ターピリジン配位子を配位させたのち、前記遷移金属を還元し、1座配位子としての3つのイソチオシアネート基を配位させ、対カチオンの置換を行う、請求項10〜12のいずれか1項に記載の金属錯体の製造方法。   In the metal complex synthesis step, after the tridentate terpyridine ligand is coordinated to the transition metal, the transition metal is reduced, and three isothiocyanate groups as monodentate ligands are coordinated. The manufacturing method of the metal complex of any one of Claims 10-12 which performs substitution of a cation.
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