KR101940491B1 - A NOBLE Ru-TYPE SENSITIZERS AND METHOD FOR PREPARING OF IT - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신규한 루테늄(Ru)계 염료 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 염료감응태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell)에 염료로 사용되어 종래의 염료보다 현저히 향상된 광전기 변환 효율을 나타내며, 이산화티탄과의 결합력을 강화시키고, Jsc(short circuit photocurrent density)와 몰 흡광계수가 우수하여 태양전지의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 염료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a novel ruthenium (Ru) -based dye and a method for producing the same, and more particularly, to a dye-sensitized solar cell which exhibits remarkably improved photoelectric conversion efficiency , Titanium dioxide and a dye capable of enhancing the efficiency of a solar cell due to its excellent short circuit photocurrent density (Jsc) and molar extinction coefficient, and a method for producing the dye.

Description

신규한 루테늄계 염료 및 이의 제조방법 {A NOBLE Ru-TYPE SENSITIZERS AND METHOD FOR PREPARING OF IT}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a novel ruthenium-based dye and a method for producing the same. BACKGROUND ART [0002]

본 발명은 염료감응태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell)에 염료로 사용되는 신규한 루테늄계 염료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a novel ruthenium-based dye used as a dye in a dye-sensitized solar cell and a method for producing the same.

1991년도 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의해 염료감응 나노입자 산화티타늄 태양전지가 개발된 이후 이 분야에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 염료감응태양전지는 기존의 실리콘계 태양전지에 비해 제조단가가 현저히 낮기 때문에 기존의 비정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있으며, 실리콘 태양전지와 달리 염료감응태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다.Much research has been done in this area since the development of dye-sensitized nanoparticle titanium dioxide solar cells by Michael Gratzel of the Swiss National Lozan Institute for Technology (EPFL) in 1991. Dye-sensitized solar cells have the potential to replace existing amorphous silicon solar cells because they have a significantly lower manufacturing cost than conventional silicon solar cells. Unlike silicon solar cells, dye-sensitized solar cells absorb visible light, - a dye molecule capable of forming a hole pair, and a transition metal oxide that transfers generated electrons as main constituent materials.

종래 염료감응태양전지에 사용되는 염료로는 대표적인 것으로는 하기 화합물들을 들 수 있다.Representative dyes used in conventional dye-sensitized solar cells include the following compounds.

Figure 112011085112452-pat00001
Figure 112011085112452-pat00001

*TBA : tetrabutylammonium cation* TBA: tetrabutylammonium cation

그러나 아직도 상기 염료들과 비교하여 산화물 반도체 미립자와의 결합력, 광전기 변환효율, Jsc(short circuit photocurrent density) 및 몰 흡광계수를 높여 태양전지의 효율성 및 내구성을 더욱 높일 것이 요청되고 있으며, 새로운 염료에 대한 연구가 필요한 실정이다.
However, it is still required to improve the efficiency and durability of the solar cell by increasing the bonding strength with the oxide semiconductor fine particles, photoelectric conversion efficiency, short circuit photocurrent density (Jsc) and molar extinction coefficient as compared with the above dyes. Research is needed.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 종래의 염료보다 현저히 향상된 광전기변환효율을 나타내며, 산화물 반도체 미립자와의 결합력을 강화시키고, Jsc(short circuit photocurrent density)와 몰 흡광계수가 우수하여 태양전지의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 염료 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the problems of the prior art as described above, the present invention provides a dye-sensitized solar cell which exhibits remarkably improved photoelectric conversion efficiency than conventional dyes, enhances bonding strength with oxide semiconductor particles, has excellent short circuit photocurrent density (Jsc) And to provide a dye capable of greatly improving the efficiency of a solar cell and a method for producing the same.

또한 본 발명은 상기 염료를 포함하여 현저히 향상된 광전기 변환 효율을 나타내며, 산화물 반도체 미립자와의 결합력이 강화되고, Jsc(short circuit photocurrent density)와 몰 흡광계수가 우수한 염료증감 광전변환소자 및 효율이 현저히 향상된 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention also provides a dye-sensitized photoelectric conversion device which exhibits remarkably improved photoelectric conversion efficiency including the dye, has enhanced bonding force with oxide semiconductor particles, has a short circuit photocurrent density (Jsc) and a molar absorptivity coefficient, And to provide a solar cell.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 염료를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a dye represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112011085112452-pat00002
Figure 112011085112452-pat00002

상기 화학식 1에서 Me는 Ru 또는 Os이며, a1 환은 각각 독립적으로 치환기를 가지지 않거나 1개 이상의 치환기를 가질 수 있으며, 치환기로는 할로겐 원자, 아미드기, 시아노기, 히드록실기, 니트로기, 아실기, C1-30 알킬기 또는 C1-30 알콕시기 일 수 있으며, Y는 수소, Na, 또는 TBA(tert-butyl alcohol)이며, In Formula 1, Me is Ru or Os, each of the a1 rings independently has no substituent or may have one or more substituents, and examples of the substituent include a halogen atom, an amide group, a cyano group, a hydroxyl group, a nitro group, , A C 1-30 alkyl group or a C 1-30 alkoxy group, Y is hydrogen, Na, or tert-butyl alcohol (TBA)

또한 X1, X2는 각각 독립적으로 메틸 또는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물이며, X1와 X2 중 적어도 하나는 화학식 2로 표시되는 화합물이며,X 1 and X 2 are each independently methyl or a compound represented by the following general formula (2), at least one of X 1 and X 2 is a compound represented by the general formula (2)

[화학식 2](2)

Figure 112011085112452-pat00003
Figure 112011085112452-pat00003

상기 화학식 2에서 A는

Figure 112011085112452-pat00004
,
Figure 112011085112452-pat00005
,
Figure 112011085112452-pat00006
Figure 112011085112452-pat00007
로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되며, 이때 X는 각각 독립적으로 O, S, Se, Si 및 NR5로 이루어진 군으로부터 선택되고, R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1-12 알킬, 치환 또는 비치환된 C6-30 아릴 및 치환 또는 비치환된 C6-20 헤테로아릴로 이루어진 군에서 선택되거나, 또는 서로 연결되어 환을 형성할 수 있으며, R5는 수소 또는 치환 또는 비치환된 C1-30 알킬이고, n은 1 내지 10의 정수이며,In the formula (2), A represents
Figure 112011085112452-pat00004
,
Figure 112011085112452-pat00005
,
Figure 112011085112452-pat00006
And
Figure 112011085112452-pat00007
, Wherein each X is independently selected from the group consisting of O, S, Se, Si and NR 5 , R 1 to R 4 are each independently selected from the group consisting of hydrogen, substituted or unsubstituted C 1 - 12 alkyl, substituted or unsubstituted C 6-30 aryl, and substituted or unsubstituted selected from the group consisting of unsubstituted C 6-20 aryl or heteroaryl, or connected to each other may form a ring, R 5 is hydrogen or Substituted or unsubstituted C 1-30 alkyl, n is an integer of 1 to 10,

B는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 또는 하기 화학식 4로 표시되는 화합물이며,B is a compound represented by the following formula (3) or a compound represented by the following formula (4)

[화학식 3](3)

Figure 112011085112452-pat00008
Figure 112011085112452-pat00008

[화학식 4][Chemical Formula 4]

Figure 112011085112452-pat00009
Figure 112011085112452-pat00009

상기 화학식 3에서 Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6-50 아릴, 치환 또는 비치환된 C6-20 헤테로아릴로 이루어진 군에서 선택되거나, 또는 서로 연결되어 환을 형성할 수 있으며, *는 결합부분이며, 상기 화학식 4에서 R6 및 R7는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1-30 알킬이며, *는 결합부분이다.
In Formula 3, Ar 1 , Ar 2, and Ar 3 are each independently selected from the group consisting of substituted or unsubstituted C 6-50 aryl, substituted or unsubstituted C 6-20 heteroaryl, And * is a bonding moiety. In the formula (4), R 6 and R 7 are each independently substituted or unsubstituted C 1-30 alkyl, and * is a bonding moiety.

또한 본 발명은 하기 화학식 5의 화합물을 하기 화학식 6, 화학식 7 및 화학식 8의 화합물과 순차적으로 반응시키는 것을 특징으로 하는 화학식 1로 표시되는 염료의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a process for preparing a dye represented by the general formula (1), wherein the compound of the general formula (5) is sequentially reacted with the compounds of the general formulas (6), (7) and (8)

[화학식 5][Chemical Formula 5]

Figure 112011085112452-pat00010
Figure 112011085112452-pat00010

[화학식 6][Chemical Formula 6]

[RuCl2(p-cymene)]2 [RuCl 2 ( p -cymene)] 2

[화학식 7](7)

Figure 112011085112452-pat00011
Figure 112011085112452-pat00011

[화학식 8][Chemical Formula 8]

NH4NCSNH 4 NCS

상기 화학식 5, 6, 7 및 8에서 X1, X2, 및 a1는 상기에서 정의한 바와 같다.In Formulas 5, 6, 7 and 8, X 1 , X 2 , and a 1 are as defined above.

또한 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로 담지시킨 산화물 반도체 미립자를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료증감 광전변환소자를 제공한다.Further, the present invention provides a dye-sensitized photoelectric conversion device comprising oxide semiconductor microparticles carried by a compound represented by the formula (1).

또한 본 발명은 상기 염료증감 광전변환소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지를 제공한다.
The present invention also provides a dye-sensitized solar cell comprising the dye-sensitized photoelectric conversion device.

본 발명의 신규한 루테늄계 염료는 종래의 염료보다 현저히 향상된 광전기 변환 효율을 나타내며, 산화물 반도체 미립자와의 결합력을 강화시키고, Jsc(short circuit photocurrent density)와 몰 흡광계수가 우수하여 태양전지의 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
The novel ruthenium-based dye of the present invention exhibits remarkably improved photoelectric conversion efficiency compared to conventional dyes, enhances bonding force with oxide semiconductor fine particles, has excellent short circuit photocurrent density (Jsc) and molar absorptivity, Can greatly improve.

도 1은 실시예 1에서 제조된 본 발명의 염료 화합물 및 N719의 흡광 스펙트럼이고,
도 2는 실시예 1에서 제조된 본 발명의 염료 화합물를 사용하여 제조한 염료감응태양전지로 측정한 단회로 광전류 밀도(short-circuit photocurrent density, Jsc) 그래프이고,
도 3은 N719 염료 화합물를 사용하여 제조한 염료감응태양전지로 측정한 단회로 광전류 밀도(short-circuit photocurrent density, Jsc) 그래프이다.
1 is an absorption spectrum of the dye compound of the present invention and N719 prepared in Example 1,
FIG. 2 is a graph of a short-circuit photocurrent density (Jsc) measured with a dye-sensitized solar cell manufactured using the dye compound of the present invention prepared in Example 1,
3 is a graph of a short-circuit photocurrent density (Jsc) measured with a dye-sensitized solar cell manufactured using a N719 dye compound.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명자들은 화학식 1로 표시되는 화합물을 산화물 반도체 미립자에 담지시켜 염료감응태양전지를 제조할 경우 산화물 반도체 미립자에 강하게 결합하여 내구성이 뛰어나며, 광전기 변환효율, Jsc(short circuit photocurrent density) 및 몰 흡광계수가 높아 기존에 존재하였던 염료감응태양전지보다도 우수한 효율을 나타냄을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have found that when a dye sensitized solar cell is produced by supporting a compound represented by the formula (1) on oxide semiconductor fine particles, the dye-sensitized solar cell is strongly bonded to oxide semiconductor fine particles and is excellent in durability and has excellent photoelectric conversion efficiency, short circuit photocurrent density (Jsc) And thus the efficiency of the dye-sensitized solar cell was higher than that of the conventional dye-sensitized solar cell. Thus, the present invention was completed.

본 발명의 염료는 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 한다.The dye of the present invention is characterized by being represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112011085112452-pat00012
Figure 112011085112452-pat00012

상기 화학식 1에서 Me는 Ru 또는 Os이며, a1 환은 각각 독립적으로 치환기를 가지지 않거나 1개 이상의 치환기를 가질 수 있으며, 치환기로는 할로겐 원자, 아미드기, 시아노기, 히드록실기, 니트로기, 아실기, C1-30 알킬기 또는 C1-30 알콕시기 일 수 있으며, Y는 수소, Na, 또는 TBA(tert-butyl alcohol)이며, In Formula 1, Me is Ru or Os, each of the a1 rings independently has no substituent or may have one or more substituents, and examples of the substituent include a halogen atom, an amide group, a cyano group, a hydroxyl group, a nitro group, , A C 1-30 alkyl group or a C 1-30 alkoxy group, Y is hydrogen, Na, or tert-butyl alcohol (TBA)

또한 X1, X2는 각각 독립적으로 메틸 또는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물이며, X1와 X2 중 적어도 하나는 화학식 2로 표시되는 화합물이며,X 1 and X 2 are each independently methyl or a compound represented by the following general formula (2), at least one of X 1 and X 2 is a compound represented by the general formula (2)

[화학식 2](2)

Figure 112011085112452-pat00013
Figure 112011085112452-pat00013

상기 화학식 2에서 A는

Figure 112011085112452-pat00014
,
Figure 112011085112452-pat00015
,
Figure 112011085112452-pat00016
Figure 112011085112452-pat00017
로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되며, 이때 X는 각각 독립적으로 O, S, Se, Si 및 NR5로 이루어진 군으로부터 선택되고, R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1-12 알킬, 치환 또는 비치환된 C6-30 아릴 및 치환 또는 비치환된 C6-20 헤테로아릴로 이루어진 군에서 선택되거나, 또는 서로 연결되어 환을 형성할 수 있으며, R5는 수소 또는 치환 또는 비치환된 C1-30 알킬이고, n은 1 내지 10의 정수이며,In the formula (2), A represents
Figure 112011085112452-pat00014
,
Figure 112011085112452-pat00015
,
Figure 112011085112452-pat00016
And
Figure 112011085112452-pat00017
, Wherein each X is independently selected from the group consisting of O, S, Se, Si and NR 5 , R 1 to R 4 are each independently selected from the group consisting of hydrogen, substituted or unsubstituted C 1 - 12 alkyl, substituted or unsubstituted C 6-30 aryl, and substituted or unsubstituted selected from the group consisting of unsubstituted C 6-20 aryl or heteroaryl, or connected to each other may form a ring, R 5 is hydrogen or Substituted or unsubstituted C 1-30 alkyl, n is an integer of 1 to 10,

B는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 또는 하기 화학식 4로 표시되는 화합물이며,B is a compound represented by the following formula (3) or a compound represented by the following formula (4)

[화학식 3](3)

Figure 112011085112452-pat00018
Figure 112011085112452-pat00018

[화학식 4][Chemical Formula 4]

Figure 112011085112452-pat00019
Figure 112011085112452-pat00019

상기 화학식 3에서 Ar1, Ar2 및 Ar3은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6-50 아릴, 치환 또는 비치환된 C6-20 헤테로아릴로 이루어진 군에서 선택되거나, 또는 서로 연결되어 환을 형성할 수 있으며, *는 결합부분이며, 상기 화학식 4에서 R6 및 R7는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1-30 알킬이며, *는 결합부분이며, 바람직하기로 R6 및 R7는 C5-10 알킬 또는 황을 포함하는 C5-10 알킬이다.In Formula 3, Ar 1 , Ar 2, and Ar 3 are each independently selected from the group consisting of substituted or unsubstituted C 6-50 aryl, substituted or unsubstituted C 6-20 heteroaryl, And * is a linking moiety, wherein R 6 and R 7 are each independently substituted or unsubstituted C 1-30 alkyl, * is a linking moiety, preferably R 6 and R 7 is a C 5-10 alkyl, including C 5-10 alkyl or sulfur.

또한 바람직하기로는 상기 화학식 1로 표시되는 염료는 하기 화학식 1-1 내지 1-48로 표시되는 화합물 중 하나인 것이 좋다.Preferably, the dye represented by the formula (1) is one of the compounds represented by the following formulas (1-1) to (1-48).

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112011085112452-pat00020
Figure 112011085112452-pat00020

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112011085112452-pat00021
Figure 112011085112452-pat00021

[화학식 1-3][Formula 1-3]

Figure 112011085112452-pat00022
Figure 112011085112452-pat00022

[화학식 1-4][Formula 1-4]

Figure 112011085112452-pat00023
Figure 112011085112452-pat00023

[화학식 1-5][Formula 1-5]

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Figure 112011085112452-pat00024

[화학식 1-6][Chemical Formula 1-6]

Figure 112011085112452-pat00025
Figure 112011085112452-pat00025

[화학식 1-7][Chemical Formula 1-7]

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Figure 112011085112452-pat00026

[화학식 1-8][Chemical Formula 1-8]

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Figure 112011085112452-pat00027

[화학식 1-9][Chemical Formula 1-9]

Figure 112011085112452-pat00028
Figure 112011085112452-pat00028

[화학식 1-10][Chemical Formula 1-10]

Figure 112011085112452-pat00029
Figure 112011085112452-pat00029

[화학식 1-11][Formula 1-11]

Figure 112011085112452-pat00030
Figure 112011085112452-pat00030

[화학식 1-12][Formula 1-12]

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Figure 112011085112452-pat00031

[화학식 1-13][Formula 1-13]

Figure 112011085112452-pat00032
Figure 112011085112452-pat00032

[화학식 1-14][Chemical Formula 1-14]

Figure 112011085112452-pat00033
Figure 112011085112452-pat00033

[화학식 1-15][Chemical Formula 1-15]

Figure 112011085112452-pat00034
Figure 112011085112452-pat00034

[화학식 1-16][Chemical Formula 1-16]

Figure 112011085112452-pat00035
Figure 112011085112452-pat00035

[화학식 1-17][Formula 1-17]

Figure 112011085112452-pat00036
Figure 112011085112452-pat00036

[화학식 1-18][Chemical Formula 1-18]

Figure 112011085112452-pat00037
Figure 112011085112452-pat00037

[화학식 1-19][Chemical Formula 1-19]

Figure 112011085112452-pat00038
Figure 112011085112452-pat00038

[화학식 1-20][Chemical Formula 1-20]

Figure 112011085112452-pat00039
Figure 112011085112452-pat00039

[화학식 1-21][Formula 1-21]

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Figure 112011085112452-pat00040

[화학식 1-22][Formula 1-22]

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Figure 112011085112452-pat00041

[화학식 1-23][Formula 1-23]

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Figure 112011085112452-pat00042

[화학식 1-24][Formula 1-24]

Figure 112011085112452-pat00043
Figure 112011085112452-pat00043

[화학식 1-25][Chemical Formula 1-25]

Figure 112011085112452-pat00044
Figure 112011085112452-pat00044

[화학식 1-26][Chemical Formula 1-26]

Figure 112011085112452-pat00045
Figure 112011085112452-pat00045

[화학식 1-27][Chemical Formula 1-27]

Figure 112011085112452-pat00046
Figure 112011085112452-pat00046

[화학식 1-28][Chemical Formula 1-28]

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Figure 112011085112452-pat00047

[화학식 1-29][Chemical Formula 1-29]

Figure 112011085112452-pat00048
Figure 112011085112452-pat00048

[화학식 1-30][Chemical Formula 1-30]

Figure 112011085112452-pat00049
Figure 112011085112452-pat00049

[화학식 1-31][Chemical Formula 1-31]

Figure 112011085112452-pat00050
Figure 112011085112452-pat00050

[화학식 1-32](1-32)

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Figure 112011085112452-pat00051

[화학식 1-33][Chemical Formula 1-33]

Figure 112011085112452-pat00052
Figure 112011085112452-pat00052

[화학식 1-34][Chemical Formula 1-34]

Figure 112011085112452-pat00053
Figure 112011085112452-pat00053

[화학식 1-35][Chemical Formula 1-35]

Figure 112011085112452-pat00054
Figure 112011085112452-pat00054

[화학식 1-36][Chemical Formula 1-36]

Figure 112011085112452-pat00055
Figure 112011085112452-pat00055

[화학식 1-37][Chemical Formula 1-37]

Figure 112011085112452-pat00056
Figure 112011085112452-pat00056

[화학식 1-38][Chemical Formula 1-38]

Figure 112011085112452-pat00057
Figure 112011085112452-pat00057

[화학식 1-39][Chemical Formula 1-39]

[화학식 1-40][Chemical Formula 1-40]

Figure 112011085112452-pat00059
Figure 112011085112452-pat00059

[화학식 1-41][Chemical Formula 1-41]

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Figure 112011085112452-pat00060

[화학식 1-42][Chemical Formula 1-42]

Figure 112011085112452-pat00061

Figure 112011085112452-pat00061

[화학식 1-43][Chemical Formula 1-43]

Figure 112011085112452-pat00062
Figure 112011085112452-pat00062

[화학식 1-44][Chemical Formula 1-44]

Figure 112011085112452-pat00063
Figure 112011085112452-pat00063

[화학식 1-45][Chemical Formula 1-45]

Figure 112011085112452-pat00064
Figure 112011085112452-pat00064

[화학식 1-46][Chemical Formula 1-46]

Figure 112011085112452-pat00065
Figure 112011085112452-pat00065

[화학식 1-47][Chemical Formula 1-47]

Figure 112011085112452-pat00066
Figure 112011085112452-pat00066

[화학식 1-48][Chemical Formula 1-48]

Figure 112011085112452-pat00067

Figure 112011085112452-pat00067

또한 본 발명은 하기 화학식 5의 화합물을 하기 화학식 6, 화학식 7 및 화학식 8의 화합물과 순차적으로 반응시키는 것을 특징으로 하는 화학식 1로 표시되는 염료의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a process for preparing a dye represented by the general formula (1), wherein the compound of the general formula (5) is sequentially reacted with the compounds of the general formulas (6), (7) and (8)

[화학식 5][Chemical Formula 5]

Figure 112011085112452-pat00068
Figure 112011085112452-pat00068

[화학식 6][Chemical Formula 6]

[RuCl2(p-cymene)]2 [RuCl 2 ( p -cymene)] 2

[화학식 7](7)

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Figure 112011085112452-pat00069

[화학식 8][Chemical Formula 8]

NH4NCSNH 4 NCS

상기 화학식 5, 6, 7 및 8에서 X1, X2, 및 a1는 상기에서 정의한 바와 같다.In Formulas 5, 6, 7 and 8, X 1 , X 2 , and a 1 are as defined above.

본 발명에 있어서 화학식 1의 염료의 제조에 출발물질로서 사용되는 화합물들은 통상적인 방법으로 제조하거나 구입하여 사용할 수 있다.
In the present invention, the compounds used as starting materials in the preparation of the dyes of formula (1) can be prepared or purchased by conventional methods.

또한 본 발명은 염료증감 광전변환소자를 제공하는 바, 상기 염료증감 광전변환소자는 산화물 반도체 미립자에 상기 화학식 1로 표시되는 염료를 담지시킨 것을 특징으로 한다. 본 발명은 염료증감 광전변환소자는 상기 화학식 1로 표시되는 염료를 사용하는 것 이외에 종래 염료를 이용하여 태양전지용 염료증감 광전변환소자를 제조하는 방법들이 적용될 수 있음은 물론이며, 바람직하기로는 본 발명의 염료증감 광전변환소자는 산화물 반도체 미립자를 이용해서 기판상에 산화물 반도체의 박막을 제조하고, 이어서 상기 박막에 본 발명의 염료를 담지시킨 것이 좋다.Further, the present invention provides a dye-sensitized photoelectric conversion element, wherein the dye-sensitized photoelectric conversion element is characterized in that the dye represented by Formula 1 is supported on the oxide semiconductor fine particles. The dye-sensitized photoelectric conversion device according to the present invention can be applied not only to the dye represented by the formula (1), but also to the dye-sensitized photoelectric conversion device for solar cells using conventional dyes. The dye-sensitized photoelectric conversion element of the present invention may be produced by preparing an oxide semiconductor thin film on a substrate using oxide semiconductor fine particles, and then carrying the dye of the present invention on the thin film.

본 발명에서 산화물 반도체의 박막을 설치하는 기판으로서는 그 표면이 도전성인 것이 바람직하며, 시중에서 판매되는 것을 사용할 수도 있다. 구체적인 일예로 글라스의 표면 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 혹은 폴리에테르설폰 등의 투명성이 있는 고분자 재료의 표면에 인듐, 불소, 안티몬을 도포한 산화주석 등의 도전성 금속산화물이나 강, 은, 금 등의 금속 박막을 형성한 것을 이용할 수 있다. 이 때 도전성은 보통 1000 Ω 이하가 바람직하며, 특히 100 Ω 이하의 것이 바람직하다.In the present invention, as the substrate on which the thin film of the oxide semiconductor is provided, the surface of the substrate is preferably conductive, and a commercially available substrate may be used. As a concrete example, a conductive metal oxide such as indium, fluorine, and antimony coated on the surface of a glass or a polymeric material having transparency such as polyethylene terephthalate or polyethersulfone, or a metal thin film of steel, silver, Can be used. In this case, the conductivity is usually preferably 1000 Ω or less, and particularly preferably 100 Ω or less.

또한 산화물 반도체의 미립자로서는 금속산화물이 바람직하다. 구체적인 예로서는 티탄, 주석, 아연, 텅스텐, 지르코늄, 갈륨, 인듐, 이트륨, 니오브, 탄탈, 바나듐 등의 산화물을 사용할 수 있다. 이들 중 티탄, 주석, 아연, 니오브, 인듐 등의 산화물이 바람직하고, 이들 중 산화티탄, 산화아연, 산화주석이 더욱 바람직하며, 산화티탄인 것이 가장 바람직하다. 상기 산화물 반도체는 단독으로 사용할 수도 있지만, 혼합하거나 반도체의 표면에 코팅시켜서 사용할 수도 있다. As the fine particles of the oxide semiconductor, a metal oxide is preferable. As specific examples, oxides such as titanium, tin, zinc, tungsten, zirconium, gallium, indium, yttrium, niobium, tantalum and vanadium may be used. Of these, oxides such as titanium, tin, zinc, niobium and indium are preferable, and among them, titanium oxide, zinc oxide and tin oxide are more preferable, and titanium oxide is most preferable. The oxide semiconductor may be used singly, or it may be mixed or coated on the surface of a semiconductor.

또한 상기 산화물 반도체의 미립자의 입경은 평균 입경으로서 1-500 nm인 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 1-100 nm인 것이 좋다. 또한 이 산화물 반도체의 미립자는 큰 입경의 것과 작은 입경의 것을 혼합하거나, 다층으로 하여 이용할 수도 있다.The particle size of the fine particles of the oxide semiconductor is preferably 1-500 nm as an average particle diameter, and more preferably 1-100 nm. The fine particles of the oxide semiconductor may be mixed with one having a large particle diameter or a particle having a small particle diameter, or may be used as a multilayer.

상기 산화물 반도체 박막은 산화물 반도체 미립자를 스프레이 분무 등으로 직접 기판상에 박막으로 형성하는 방법, 기판을 전극으로 하여 전기적으로 반도체 미립자 박막을 석출시키는 방법, 반도체 미립자의 슬러리 또는 반도체 알콕사이드 등의 반도체 미립자의 전구체를 가수분해함으로써 얻을 수 있은 미립자를 함유하는 페이스트를 기판상에 도포한 후, 건조, 경화 혹은 소성하는 방법 등에 의해 제조할 수 있으며, 페이스트를 기판상에 도포하는 방법이 바람직하다. 이 방법의 경우, 슬러리는 2차 응집하고 있는 산화물 반도체 미립자를 통상의 방법에 의해 분산매 중에 평균 1차 입경이 1-200 nm이 되도록 분산시킴으로써 얻을 수 있다.The oxide semiconductor thin film may be formed by a method of forming oxide semiconductor fine particles directly on a substrate by spraying spray or the like, a method of electrically depositing a semiconductor fine particle thin film using the substrate as an electrode, a method of depositing semiconductor fine particles such as slurry of semiconductor fine particles or semiconductor alkoxide A paste containing fine particles which can be obtained by hydrolyzing a precursor is coated on a substrate, followed by drying, curing or firing, or a method of applying a paste onto a substrate. In the case of this method, the slurry can be obtained by dispersing the oxide semiconductor microparticles that are secondarily agglomerated by a conventional method so that the average primary particle diameter becomes 1 to 200 nm in the dispersion medium.

슬러리를 분산시키는 분산매로서는 반도체 미립자를 분산시킬 수 있는 것이면 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 물, 에탄올 등의 알코올, 아세톤, 아세틸아세톤 등의 케톤 또는 헥산 등의 탄화수소를 이용할 수 있고, 이것들은 혼합해서 사용할 수 있고, 이 중 물을 이용하는 것이 슬러리의 점도변화를 적게 한다는 점에서 바람직하다. 또한 산화물 반도체 미립자의 분산 상태를 안정화시킬 목적으로 분산 안정제를 사용할 수 있다. 사용할 수 있는 분산 안정제의 구체적인 예로서는 예를 들면 초산, 염산, 질산 등의 산, 또는 아세틸아세톤, 아크릴산, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알코올 등을 들 수 있다.The dispersion medium for dispersing the slurry is not particularly limited as long as it can disperse the semiconductor fine particles. The dispersion medium may be an alcohol such as water or ethanol, a ketone such as acetone or acetyl acetone, or a hydrocarbon such as hexane. And it is preferable that water is used among them in view of reducing viscosity change of the slurry. Further, a dispersion stabilizer may be used for the purpose of stabilizing the dispersion state of the oxide semiconductor fine particles. Specific examples of the dispersion stabilizer that can be used include acids such as acetic acid, hydrochloric acid and nitric acid, and acetylacetone, acrylic acid, polyethylene glycol, and polyvinyl alcohol.

슬러리를 도포한 기판은 소성할 수 있고, 그 소성온도는 100 ℃ 이상, 바람직하게는 200 ℃ 이상이고, 또 상한은 대체로 기재의 융점(연화점) 이하로서 통상 상한은 900 ℃이며, 바람직하게는 600 ℃ 이하이다. 본 발명에서 소성시간에는 특별하게 한정되지 않지만, 대체로 4시간 이내가 바람직하다. The substrate to which the slurry has been applied can be fired. The firing temperature is not lower than 100 占 폚, preferably not lower than 200 占 폚, and the upper limit is generally not higher than the melting point (softening point) Lt; / RTI > The firing time in the present invention is not particularly limited, but is preferably within four hours.

본원발명에서 기판상의 박막의 두께는 1-200 ㎛인 것이 좋으며, 바람직하게는 1-50 ㎛이다. 소성을 실시하는 경우에는 산화물 반도체 미립자의 박층은 일부 용착하지만, 그러한 용착은 본 발명을 위해서는 특별하게 지장은 없다.In the present invention, the thickness of the thin film on the substrate is preferably 1-200 占 퐉, and preferably 1-50 占 퐉. When firing is performed, a thin layer of the oxide semiconductor fine particles is partially deposited, but such deposition is not particularly troublesome for the present invention.

또한 상기 산화물 반도체 박막에 2차 처리를 실시할 수도 있다. 일 예로 반도체와 동일한 금속의 알콕사이드, 염화물, 질소화물, 황화물 등의 용액에 직접, 기판별로 박막을 침적시켜서 건조 혹은 재소성 함으로써 반도체 박막의 성능을 향상시킬 수도 있다. 금속 알콕사이드로서는 티탄에톡사이드, 티탄니움이소프로에폭사이드, 티탄 t-부톡사이드, n-디부틸-디아세틸 주석 등을 들 수 있고, 그것들의 알코올 용액을 이용할 수 있다. 염화물로서는 예를 들면 4염화 티탄, 사염화주석, 염화아연 등을 들 수 있고, 그 수용액을 이용할 수 있다. 이렇게 하여 수득된 산화물 반도체 박막은 산화물 반도체의 미립자로 이루어져 있다.Further, the oxide semiconductor thin film may be subjected to a secondary treatment. For example, the performance of a semiconductor thin film may be improved by dipping a thin film directly on a solution of an alkoxide, chloride, nitrogen, sulfide or the like of the same metal as the semiconductor, and drying or re-firing the substrate. Examples of the metal alkoxide include titanium ethoxide, titanium is isopropoxide, titanium t-butoxide, n-dibutyl-diacetyltin and the like, and alcohol solutions thereof can be used. Examples of the chloride include titanium tetrachloride, tin tetrachloride, and zinc chloride, and an aqueous solution thereof can be used. The oxide semiconductor thin film thus obtained is composed of fine particles of an oxide semiconductor.

또한 본 발명에서 박막 상으로 형성된 산화물 반도체 미립자에 염료를 담지시키는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 구체적인 예로서 상기 화학식 1로 표시되는 염료를 용해할 수 있는 용매로 용해해서 얻은 용액, 또는 염료를 분산시켜서 얻은 분산액에 상기 산화물 반도체 박막이 설치된 기판을 침지시키는 방법을 들 수 있다. 용액 또는 분산액 중의 농도는 염료에 의해 적당하게 결정할 수 있다. 침적시간은 대체로 상온에서 용매의 비점까지이고, 또 침적시간은 1분에서 48시간 정도이다. 염료를 용해시키는데 사용할 수 있는 용매의 구체적인 예로서, 예를 들면 메탄올, 에탄올, 아세토니트릴, 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아미드, 아세톤, t-부탄올 등을 들 수 있다. 용액의 염료 농도는 보통 1× 10-6 M - 1 M이 좋고, 바람직하게는 1× 10-5 M - 1× 10-1 M인 것이 좋다. 이렇게 해서 염료로 증감된 박막 상의 산화물 반도체 미립자를 가진 본 발명의 광전변환소자를 얻을 수 있다.In the present invention, the method of supporting the dye on the oxide semiconductor fine particles formed in the form of a thin film is not particularly limited. Specific examples thereof include a solution obtained by dissolving the dye represented by the formula (1) in a solvent capable of dissolving the dye, And the substrate provided with the oxide semiconductor thin film is immersed in the obtained dispersion. The concentration in the solution or dispersion can be suitably determined by the dye. The immersion time is generally from room temperature to the boiling point of the solvent, and the immersion time is from 1 minute to 48 hours. Specific examples of the solvent that can be used for dissolving the dye include methanol, ethanol, acetonitrile, dimethylsulfoxide, dimethylformamide, acetone, and t-butanol. The dye concentration of the solution is usually 1 × 10 -6 M -1 M, preferably 1 × 10 -5 M -1 × 10 -1 M. Thus, the photoelectric conversion element of the present invention having oxide semiconductor fine particles in the form of a thin film formed by increasing or decreasing the dye can be obtained.

본 발명에서 담지하는 화학식 1의 표시되는 염료는 1종류일 수도 있고, 수 종류 혼합할 수도 있다. 또한 혼합하는 경우에는 본 발명의 염료만을 사용할 수 있고, 다른 염료나 금속 착체 염료를 혼합할 수 있다. 혼합할 수 있는 금속 착체 염료의 예로서는 특별하게 제한은 없지만 M.K.Nazeeruddin, A.Kay, I.Rodicio, R.Humphry-Baker, E.Muller, P.Liska, N.Vlachopoulos, M.Gratzel, J. Am. Chem. Soc., 제115권, 6382쪽(1993년)에 나타나 있다 루테늄 착체나 그 4급염, 프탈로시아닌, 포르피린 등이 바람직하고, 혼합 이용하는 유기염료로서는 무금속의 프탈로시아닌, 포르피린이나 시아닌, 메로시아닌, 옥소놀, 트리페닐메탄계, WO2002/011213호에 제시되는 아크릴산계 염료 등의 메틴계 염료나, 크산텐계, 아조계, 안트라퀴논계, 페릴렌계 등의 염료를 들 수 있다. 염료를 2종 이상 이용하는 경우에는 염료를 반도체 박막에 차례로 흡착시킬 수도, 혼합 용해해서 흡착시킬 수도 있다.The dyes represented by the formula (1) to be carried in the present invention may be either one kind or a mixture of several kinds. In case of mixing, only the dye of the present invention can be used, and other dyes or metal complex dyes can be mixed. Examples of the metal complex dyes which can be mixed include, but are not limited to, MKNazeeruddin, A. Kay, I. Radicio, R. Humphry-Baker, E. Muller, P. Liska, N. Vlachopoulos, M. Gratzel, J. Am . Chem. Soc., Vol. 115, p. 6382 (1993). Ruthenium complexes, quaternary salts thereof, phthalocyanine, porphyrin and the like are preferable. Examples of the organic dyes to be mixed include phthalocyanine, porphyrin, cyanine, merocyanine, Dyes such as phenanthrene, norbornene, triphenylmethane, and acrylic acid dyes shown in WO2002 / 011213; dyes such as xanthene, azo, anthraquinone and perylene dyes. In the case of using two or more kinds of dyes, the dye may be successively adsorbed to the semiconductor thin film, or may be mixed and dissolved to be adsorbed.

또한 본 발명에서 산화물 반도체 미립자의 박막에 염료를 담지할 때, 염료끼리의 결합을 방지하기 위해서 포섭 화합물의 존재하에서 염료를 담지하는 것이 좋다. 상기 포섭화합물로서는 데옥시콜산, 데히드로데옥시콜산, 케노데옥시콜산, 콜산메틸에스테르, 콜산나트륨 등의 콜산류, 폴리에틸렌옥사이드, 콜산 등의 스테로이드계 화합물, 크라운에테르, 사이클로덱스트린, 캘릭스아렌, 폴리에틸렌옥사이드 등을 사용할 수 있다. In the present invention, when the dye is supported on the thin film of the oxide semiconductor fine particles, it is preferable to carry the dye in the presence of the adsorbing compound in order to prevent bonding of the dyes to each other. Examples of the above-mentioned inclusion compound include: Colecular compounds such as deoxycholic acid, dehydrodeoxycholic acid, chenodeoxycholic acid, cholic acid methyl ester and sodium cholate; steroid compounds such as polyethylene oxide and cholic acid; crown ethers, cyclodextrin, Polyethylene oxide and the like can be used.

또한, 염료를 담지시킨 후, 4-t-부틸 피리딘 등의 아민 화합물이나 초산, 프로피온산 등의 산성기를 가지는 화합물 등으로 반도체 전극표면을 처리할 수 있다. 처리방법은 예를 들면 아민의 에탄올 용액에 염료를 담지한 반도체 미립자 박막이 설치된 기판을 담그는 방법 등이 사용될 수 있다.After the dye is supported, the surface of the semiconductor electrode can be treated with an amine compound such as 4-t-butylpyridine or a compound having an acidic group such as acetic acid or propionic acid. As a treatment method, for example, a method of immersing a substrate provided with a semiconductor fine particle thin film having a dye supported thereon in an ethanol solution of amine can be used.

또한 본 발명은 상기 염료감응 광전변환소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지를 제공하는 바, 상기 화학식 1로 표시되는 염료를 담지시킨 산화물 반도체 미립자를 이용한 염료증감 광전변환소자를 사용하는 것 이외에 종래 광전변환소자를 사용하여 태양전지를 제조하는 통상의 방법들이 적용될 수 있음은 물론이며, 구체적인 예로 상기 산화물 반도체 미립자에 화학식 1로 표시되는 염료를 담지시킨 광전변환소자 전극(음극), 대전극(양극), 레독스 전해질, 정공수송 재료 또는 p형 반도체 등으로 구성될 수 있다.The present invention also provides a dye-sensitized solar cell comprising the dye-sensitized photoelectric conversion element, wherein the dye-sensitized solar cell using the dye-sensitized photoelectric conversion element using the dye- In addition, conventional methods for manufacturing a solar cell using a conventional photoelectric conversion element may be applied. For example, a photoelectric conversion element electrode (cathode) in which the dye represented by Chemical Formula 1 is supported on the oxide semiconductor fine particles, (Anode), a redox electrolyte, a hole transporting material, or a p-type semiconductor.

바람직하기로는 본 발명의 염료감응태양전지의 구체적인 제조방법의 일예로는 전도성 투명 기판 위에 산화티타늄 페이스트를 코팅하는 단계, 페이스트가 코팅된 기판을 소성하여 산화티타늄 박막을 형성하는 단계, 산화티타늄 박막이 형성된 기판을 화학식 1로 표시되는 염료가 용해된 혼합용액에 함침시켜 염료가 흡착된 산화티타늄 필름 전극을 형성하는 단계, 그 상부에 대전극이 형성된 제2의 유리기판을 구비하는 단계, 제2 유리기판 및 대전극을 관통하는 홀(hole)을 형성하는 단계, 상기 대전극 및 상기 염료가 흡착된 산화티타늄 필름 전극 사이에 열가소성 고분자 필름을 두고, 가열 압착 공정을 실시하여 상기 대전극 및 산화티타늄 필름전극을 접합시키는 단계, 상기 홀을 통하여 대전극과 산화티타늄 필름 전극 사이의 열가소성 고분자 필름에 전해질을 주입하는 단계 및 상기 열가소성 고분자를 실링하는 단계를 통하여 제조되는 것이 좋다.Preferably, the method of manufacturing the dye-sensitized solar cell of the present invention includes coating a titanium oxide paste on a conductive transparent substrate, firing a paste-coated substrate to form a titanium oxide thin film, A step of impregnating the formed substrate with a mixed solution in which the dye represented by the general formula (1) is dissolved to form a dye-adsorbed titanium oxide film electrode, a step of providing a second glass substrate on which a counter electrode is formed, Forming a hole through the substrate and the counter electrode, placing a thermoplastic polymer film between the counter electrode and the titanium oxide film electrode on which the dye is adsorbed, and performing a hot pressing process to form the counter electrode and the titanium oxide film Bonding the electrode to the thermoplastic polymer film between the counter electrode and the titanium oxide film electrode through the hole, A step of injecting an electrolyte, and a step of sealing the thermoplastic polymer.

레독스 전해질, 정공수송 재료, p형 반도체 등의 형태는 액체, 응고체(겔 및 겔상), 고체 등을 들 수 있다. 액상의 것으로서는 레독스 전해질, 용해염, 정공수송재료, p형 반도체 등을 각각 용매에 용해시킨 것이나 상온 용해염 등이, 응고체(겔 및 겔상)의 경우에는 이것들을 폴리머 매트릭스나 저분자 겔화제 등에 함유시킨 것 등을 각각 들 수 있다. 고체의 것으로서는 레독스 전해질, 용해염, 정공수송재료, p형 반도체 등을 사용할 수 있다. Examples of the redox electrolyte, the hole transporting material, and the p-type semiconductor include liquid, coagulated (gel and gel), solid and the like. Examples of the liquid phase include redox electrolytes, dissolution salts, hole transport materials, and p-type semiconductors dissolved in a solvent, and at room temperature dissolution salts. In the case of coagulated solids (gel and gel), these are dissolved in a polymer matrix or a low- And the like, and the like. Solids such as redox electrolytes, soluble salts, hole transport materials, p-type semiconductors and the like can be used.

정공수송 재료로서는 아민 유도에나 폴리아세티틸렌, 폴리아닐린, 폴리티오펜 등의 도전성 고분자, 트리페닐렌계 화합물 등의 디스코테크 액정상을 이용하는 물건 등을 사용할 수 있다. 또한 p형 반도체로서는 CuI, CuSCN 등을 사용할 수 있다. 대전극으로는 도전성을 가지고 있으며, 레독스 전해질의 환원 반응을 촉매적으로 작용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 글라스 또는 고분자 필름에 백금, 카본, 로듐, 루테늄 등을 증착하거나, 도전성 미립자를 도포한 것을 사용할 수 있다.As the hole transporting material, conductive polymers such as amine derivatives, polyacetylene, polyaniline, and polythiophene, and articles using a discotic liquid crystal phase such as a triphenylene compound can be used. As the p-type semiconductor, CuI, CuSCN and the like can be used. It is preferable that the counter electrode has conductivity and acts catalytically on the reduction reaction of the redox electrolyte. For example, platinum, carbon, rhodium, ruthenium or the like may be deposited on a glass or polymer film, or coated with conductive fine particles.

본 발명의 태양전지에 이용하는 레독스 전해질로서는 할로겐 이온을 대이온으로 하는 할로겐 화합물 및 할로겐 분자로 구성되는 할로겐 산화 환원계 전해질, 페로시안산염-페로시안산염이나 페로센-페리시늄 이온, 코발트 착체 등의 금속착체 등의 금속산화 환원계 전해질, 알킬티올-알킬디설피드, 비올로겐 염료, 하이드로퀴논-퀴논 등의 유기산화 환원계 전해질 등을 사용할 수 있으며, 할로겐 산화 환원계 전해질이 바람직하다. 할로겐 화합물-할로겐 분자로 구성되는 할로겐 산화 환원계 전해질에 있어서의 할로겐 분자로서는 요오드 분자가 바람직하다. 또한 할로겐 이온을 대이온으로 하는 할로겐 화합물로서는 LiI, NaI, KI, CaI2, MgI2, CuI 등의 할로겐화 금속염, 또는 테트라알킬암모늄요오드, 이미다졸리움요오드, 피리디움요오드 등의 할로겐의 유기 암모늄염, 또는 I2를 사용할 수 있다.Examples of the redox electrolyte used in the solar cell of the present invention include halogen redox electrolytes composed of halogen compounds and halogen molecules having halogen ions as counter ions, A metal oxide red-based electrolyte such as a metal complex of an alkali metal, an alkyl thiol-alkyl disulfide, a viologen dye, an organic redox electrolyte such as a hydroquinone-quinone, and a halogen redox electrolyte. The halogen molecule in the halogen redox electrolyte composed of a halogen compound-halogen molecule is preferably an iodine molecule. In addition, the halogen compound to a halogen ion as a counter ion LiI, NaI, KI, CaI 2, MgI 2, a halogenated metal salt such as CuI, or tetra-alkyl ammonium iodine, imidazolium iodine, the organic ammonium salt of halogen such as flutes Stadium iodine, Or I 2 can be used.

또한 레독스 전해질은 이를 포함하는 용액의 형태로 구성되어 있는 경우, 그 용매로는 전기 화학적으로 불활성인 것을 사용할 수 있다. 구체적인 예로서 아세토니트릴, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 3-메톡시프로피오니트릴, 메톡시아세토니트릴, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 부틸로락톤, 디메톡시에탄, 디메틸카보네이트, 1,3-디옥소란, 메틸포르메이트, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 3-메톡시-옥사졸리딘-2-온, 설포란, 테트라하이드로퓨란, 물 등을 들 수 있으며, 특히 아세토니트릴, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 3-메톡시프로피오니트릴, 에틸렌글리콜, 3-메톡시-옥사졸리딘-2-온, 부틸로락톤 등이 바람직하다. 상기 용매들은 1종 또는 혼합해서 사용할 수 있다. 겔상 양전해질의 경우에는 올리고머 및 폴리머 등의 매트릭스에 전해질 또는 전해질 용액을 함유시킨 것이나, 전분자 겔화제 등에 동일하게 전해질 또는 전해질 용액을 함유시킨 것을 사용할 수 있다. 레독스 전해질의 농도는 0.01-99 중량%인 것이 좋으며, 0.1-30 중량%인 것이 더욱 바람직하다.When the redox electrolyte is formed in the form of a solution containing it, electrochemically inactive ones can be used as the solvent. Specific examples thereof include acetonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, 3-methoxypropionitrile, methoxyacetonitrile, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, butylolactone, dimethoxyethane, dimethyl carbonate, Dioxolane, methyl formate, 2-methyltetrahydrofuran, 3-methoxy-oxazolidin-2-one, sulfolane, tetrahydrofuran and water. Particularly, acetonitrile, Propylene carbonate, ethylene carbonate, 3-methoxypropionitrile, ethylene glycol, 3-methoxy-oxazolidin-2-one, butylolactone and the like are preferable. These solvents may be used alone or in combination. In the case of a gel-type positive electrolyte, an electrolyte or an electrolyte solution may be contained in a matrix such as an oligomer and a polymer, or an electrolyte or an electrolyte solution may be used in the same manner as a whole molecular gelling agent. The concentration of the redox electrolyte is preferably 0.01 to 99% by weight, more preferably 0.1 to 30% by weight.

본 발명의 태양전지는 기판상의 산화물 반도체 미립자에 염료를 담지한 광전변환소자(음극)에 그것과 대치하도록 대전극(양극)을 배치하고 그 사이에 레독스 전해질을 함유하는 용액을 충전하는 것에 의하여 얻어질 수 있다.
The solar cell of the present invention is characterized in that a counter electrode (anode) is disposed so as to face a photoelectric conversion element (cathode) carrying a dye on the oxide semiconductor fine particles on a substrate and a solution containing the redox electrolyte is filled therebetween Can be obtained.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited to the following examples.

[실시예][Example]

염료의 합성에 관련된 반응은 아르곤 분위기에서 진행되었고, 용매는 시그마-알드리치(Sigma-Adrich)사에서 구입한 적합한 시약으로 증류되었다.
The reaction involved in the synthesis of the dye proceeded in an argon atmosphere, and the solvent was distilled with a suitable reagent purchased from Sigma-Aldrich.

실시예 1 염료의 합성Example 1 Synthesis of dye

하기 기재된 반응식 1과 같은 반응에 따라 루테늄계 염료 화합물 4를 제조하였다.The ruthenium-based dye compound 4 was prepared according to the reaction shown in Reaction Scheme 1 described below.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure 112011085112452-pat00070

Figure 112011085112452-pat00070

(1) 화합물 1의 제조(1) Preparation of Compound (1)

4,4'-dibromo-2,2'-bipyridine(20 g, 63.70 mmol)을 THF 300 ml에 녹인 후 n-Butyllithium(56.06 ml 2.5 M in Hexane, 140 mmol)을 -78 ℃에서 천천히 적가하고 30분간 교반시킨 후 DMF(10.24 g 140.14 mmol)를 넣고 질소 가스 상태 하에서 6시간 동안 25 ℃에서 교반하였다. 교반이 끝난 후 ether 300 ml로 추출 후 water를 사용하여 유기층을 추출하여 chloroform / methanol (1/10) 하에서 재결정으로 분리하였다.
N-Butyllithium (56.06 ml, 2.5 M in Hexane, 140 mmol) was slowly added dropwise at -78 ° C, and 30 g of 3,4-dibromo-2,2'-bipyridine (20 g, 63.70 mmol) After stirring for a minute, DMF (10.24 g, 140.14 mmol) was added and stirred at 25 DEG C for 6 hours under a nitrogen gas atmosphere. After stirring, ether was extracted with 300 ml of water. The organic layer was extracted with water and recrystallized under chloroform / methanol (1/10).

(2) 화합물 2의 제조(2) Preparation of Compound 2

Thieno[3,2-b]thiophene(10 g, 71.31 mmol)을 THF 200 ml에 녹인 후 n-Butyllithium(28.52 ml 2.5 M in Hexane, 71.31 mmol)을 -78 ℃에서 천천히 적가하고 30분간 교반시킨 후 9-bromoheptadecane(22.77 g 71.31 mmol)를 넣고 질소 가스 상태 하에서 6시간 동안 25 ℃에서 교반하였다. 교반이 끝난 후 chloroform 200 ml로 추출 후 water를 사용하여 유기층을 추출하여 컬럼 정제(Chloroform/Hexane = 1:1) 후 chloroform / methanol (1/20) 하에서 재결정으로 분리하였다.
Thieno [3,2-b] thiophene (10 g, 71.31 mmol) was dissolved in 200 ml of THF, n-Butyllithium (28.52 ml 2.5 M in Hexane, 71.31 mmol) was slowly added dropwise at -78 ° C, 9-bromoheptadecane (22.77 g, 71.31 mmol) was added, and the mixture was stirred at 25 DEG C for 6 hours under a nitrogen gas atmosphere. After stirring, the reaction mixture was extracted with 200 ml of chloroform. The organic layer was extracted with water and purified by column chromatography (chloroform / hexane = 1: 1) followed by recrystallization under chloroform / methanol (1/20).

(3) 화합물 3의 제조(3) Preparation of Compound 3

2,2'-bipyridine-4,4'-dicarbaldehyde(15 g, 70.69 mmol), 2-(heptadecan-9-yl)thieno[3,2-b]thiophene(26.77 g, 70.69 mmol)와 Trimethylamine(0.42 g, 7.07 mmol)을 Acetic anhydride 100 ml에 녹인 후 reflux하에 교반하였다. 교반이 끝난 후 chloroform 300 ml로 추출 후 water를 사용하여 유기층을 추출하여 chloroform / methanol (1/10) 하에서 재결정으로 분리하였다.
Thiophene (26.77 g, 70.69 mmol) and trimethylamine (0.42 mmol) were added to a solution of 2,2'-bipyridine-4,4'-dicarbaldehyde (15 g, 70.69 mmol) g, 7.07 mmol) were dissolved in 100 ml of acetic anhydride and stirred under reflux. After stirring, the mixture was extracted with chloroform (300 ml). The organic layer was extracted with water and recrystallized under chloroform / methanol (1/10).

(4) 화합물 4의 제조(4) Preparation of Compound 4

상기 제조된 화합물 3을 이용하여 기존 문헌(Chem. Mater. 2006, 18, 5604-5608)의 합성 방법을 따라 상기 반응식 1과 같이 5번 화합물을 합성하였다.
Compound No. 5 was synthesized according to the synthesis method of the existing literature (Chem. Mater. 2006, 18, 5604-5608) using the compound 3 prepared above, as shown in Scheme 1.

실시예 2 염료의 합성Example 2 Synthesis of dye

하기 기재된 반응식 2와 같은 반응에 따라 루테늄계 염료 화합물 7을 제조하였다.The ruthenium-based dye compound 7 was prepared according to the reaction shown in Reaction Scheme 2 described below.

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Figure 112011085112452-pat00071

Figure 112011085112452-pat00071

(1) 화합물 5의 제조(1) Preparation of Compound 5

상기 실시예 1의 화합물 2의 제조방법에서 Thieno[3,2-b]thiophene 대신에 Thiophene을 이용하여 화합물 5를 합성하였다.
Compound 5 was synthesized by using Thiophene instead of Thieno [3,2-b] thiophene in the preparation of Compound 2 of Example 1 above.

(2) 화합물 6의 제조(2) Preparation of Compound 6

상기 실시예 1의 화합물 3의 제조방법에서 2-(heptadecan-9-yl)thieno[3,2-b]thiophene 대신에 화합물 5을 이용하여 화합물 6을 합성하였다.
Compound 6 was synthesized by using Compound 5 instead of 2- (heptadecan-9-yl) thieno [3,2-b] thiophene in the process for producing Compound 3 of Example 1. [

(3) 화합물 7의 제조(3) Preparation of Compound 7

상기 실시예 1의 화합물 4의 제조방법에서 화합물 3 대신에 화합물 6을 이용하여 합성하였다.
The compound 4 was synthesized in the same manner as in Example 1, except that Compound 6 was used instead of Compound 3.

실시예 3 염료의 합성Example 3 Synthesis of dye

하기 기재된 반응식 3과 같은 반응에 따라 루테늄계 염료 화합물 10을 제조하였다.The ruthenium-based dye compound 10 was prepared according to the reaction shown in Reaction Scheme 3 described below.

[반응식 3][Reaction Scheme 3]

Figure 112011085112452-pat00072

Figure 112011085112452-pat00072

(1) 화합물 8-1의 제조(1) Preparation of Compound 8-1

상기 실시예 1의 화합물 2의 제조방법에서 Thieno[3,2-b]thiophene 대신에 화합물 8을 이용하여 화합물 8-1을 합성하였다.
Compound 8-1 was synthesized by using Compound 8 instead of Thieno [3,2-b] thiophene in the preparation of Compound 2 of Example 1 above.

(2) 화합물 9의 제조(2) Preparation of Compound 9

상기 실시예 1의 화합물 3의 제조방법에서 2-(heptadecan-9-yl)thieno[3,2-b]thiophene 대신에 화합물 8-1을 이용하여 화합물 9를 합성하였다.
Compound 9 was synthesized by using Compound 8-1 instead of 2- (heptadecan-9-yl) thieno [3,2-b] thiophene in the process for producing Compound 3 of Example 1. [

(3) 화합물 10의 제조(3) Preparation of Compound 10

상기 실시예 1의 화합물 4의 제조방법에서 화합물 3 대신에 화합물 9를 이용하여 합성하였다.
The compound 4 was synthesized in the same manner as in Example 1, except that Compound 3 was used instead of Compound 3.

실시예 4 : 제조된 염료의 물성 측정Example 4: Measurement of physical properties of the prepared dye

상기 실시예 1에서 제조된 본 발명의 염료 화합물의 흡광 스펙트럼을 하기 표 1 및 도 1에 나타내었다. 비교염료로는 종래 염료감응태양전지의 염료로 사용되는 N719를 사용하였다.The absorption spectra of the dye compounds of the present invention prepared in Example 1 are shown in Table 1 and FIG. As a comparative dye, N719, which is used as a dye of a conventional dye-sensitized solar cell, was used.

λmax
(nm)
λ max
(nm)
ε
(M-1cm-1)
ε
(M -1 cm -1 )
λedge
(nm)
λ edge
(nm)
HOMO
(eV)
HOMO
(eV)
LUMO
(eV)
LUMO
(eV)
실시예 1Example 1 609609 1170011700 840840 -5.55-5.55 -3.95-3.95 N719N719 515515 1400014000 731731 -5.50-5.50 -3.80-3.80

상기 표 1 및 도 1의 결과로부터 알 수 있듯이, 실시예 1에서 제조된 본 발명의 염료 화합물은 비교염료에 비해 훨씬 높은 흡광도를 나타내어 태양전지의 효율을 향상시킬 것으로 예상된다.As can be seen from the results of Table 1 and FIG. 1, the dye compound of the present invention prepared in Example 1 exhibits much higher absorbance than the comparative dye, and is expected to improve the efficiency of the solar cell.

상기 표 1에 기재되지는 않았지만 실시예 2 및 3에서 제조된 본 발명의 염료 화합물도 상기 실시예 1에서 제조된 염료화합물과 대등한 흡광도를 나타내었다.
Although not shown in Table 1, the dye compounds of the present invention prepared in Examples 2 and 3 exhibited the same absorbance as those of the dye compounds prepared in Example 1 above.

실시예 5 : 염료감응태양전지의 제조 및 물성 측정Example 5: Preparation of dye-sensitized solar cell and measurement of physical properties

염료 화합물의 전류-전압 특성을 평가하기 위해, TiO2 투명층을 이용하여 하기 표 2 및 도 2 내지 3에 기재된 바와 같이 두께를 달리하여 태양전지를 제조하였다. TiO2 페이스트(Solaronix, 13 nm 페이스트)를 스크린 프린팅하여 TiO2 투명층을 제조하였다. 이 TiO2 필름을 40 mM TiCl4 용액으로 처리하고 500 ℃에서 30분간 건조하였다. 처리된 필름을 60 ℃로 냉각한 후, 상기 실시예 1에서 제조된 본 발명의 염료 화합물을 디메틸포름아미드 용액에 함침시켰다. 참조(Reference)로서 N719의 에탄올 용액을 사용하였다. 염료-흡착된 TiO2 전극과 백금-대전극 사이에 스페이서로서 고온용융 필름(Surlyn 1702, 25㎛ 두께)을 놓고 가열하여 밀봉된 샌드위치 전지를 조합하였다. 전해질 용액으로는 아세토니트릴 중에 0.6 M 3-헥실-1,2-디메틸이미다졸리움 요오드, 0.04 M I2, 0.025 M GSCn 및 0.28 M tert-부틸피리딘을 용해시킨 것을 사용하였다. Scattering layer 및 AR 코팅은 하지 않았다.
In order to evaluate the current-voltage characteristics of the dye compound, a solar cell was manufactured using a TiO 2 transparent layer with different thicknesses as shown in Table 2 and Figs. 2 to 3 below. And a TiO 2 paste (Solaronix, 13 nm paste) was screen-printed to prepare a TiO 2 transparent layer. The TiO 2 film was treated with a 40 mM TiCl 4 solution and dried at 500 ° C for 30 minutes. After the treated film was cooled to 60 캜, the dye compound of the present invention prepared in Example 1 was impregnated in a dimethylformamide solution. An ethanol solution of N719 was used as a reference. The sealed sandwich cell was assembled by placing a hot melt film (Surlyn 1702, 25 탆 thick) as a spacer between the dye-adsorbed TiO 2 electrode and the platinum-counter electrode and heating. As the electrolyte solution, 0.6 M 3-hexyl-1,2-dimethylimidazolium iodide, 0.04 MI 2 , 0.025 M GSCn and 0.28 M tert -butylpyridine dissolved in acetonitrile were used. Scattering layer and AR coating were not applied.

본 발명의 염료 화합물과 N719를 사용하여 제조된 태양전지의 광전자화학특성(photoelectrochemical characteristics)을 측정하여 도 2(실시예 1) 내지 3(N719) 및 하기 표 2에 나타내었다. 태양전지의 광전자화학특성은 Keithley M 236 소스 측정 장치를 이용하여 측정하였으며, 광원으로는 AM 1.5 필터(Oriel)가 구비된 300 W Xe 램프를 이용하였고, 전극크기는 0.4 × 0.4 cm2, 빛의 세기는 1 sun(100 mW/cm2)으로 하였다. 빛의 세기는 Si 태양전지를 이용하여 조정하였다.The photoelectrochemical characteristics of the solar cell prepared using the dye compound of the present invention and N719 were measured and shown in FIG. 2 (Examples 1 to 3) and Table 2 below. The photoelectrochemical properties of the solar cell were measured using a Keithley M 236 source measuring apparatus. A 300 W Xe lamp equipped with an AM 1.5 filter (Oriel) was used as the light source. The electrode size was 0.4 × 0.4 cm 2 , The intensity was 1 sun (100 mW / cm 2 ). The intensity of light was adjusted using Si solar cell.

Voc(V)V oc (V) Jsc(mA/cm2)J sc (mA / cm 2 ) FF(%)FF (%) η(%)侶 (%) Area(cm2)Area (cm 2 ) 두께(um)Thickness (um) N719N719 0.8660.866 6.836.83 76.6476.64 4.534.53 0.1620.162 3.933.93 0.8180.818 11.1211.12 74.3174.31 6.766.76 0.1650.165 7.587.58 0.8010.801 12.7412.74 73.2173.21 7.477.47 0.1870.187 11.8111.81 실시예 1Example 1 0.8000.800 11.0311.03 73.8673.86 6.526.52 0.1770.177 3.923.92 0.7570.757 14.6314.63 73.1073.10 8.108.10 0.1630.163 7.927.92 0.7470.747 15.8115.81 73.0773.07 8.648.64 0.1930.193 12.1712.17

상기 표 2에서, Jsc는 단회로 광전류 밀도(short-circuit photocurrent density), Voc는 오픈 회로 광전압(open circuit photovoltage), FF는 충전 인자(fill factor)를 나타낸다.
In Table 2, J sc represents a short-circuit photocurrent density, V oc represents an open circuit photovoltage, and FF represents a fill factor.

상기 표 2 및 도 2 내지 3에 나타난 바와 같이 본 발명의 염료화합물은 N719와 비교하여 매우 높은 광전변환 효율을 나타냄을 확인할 수 있었으며, 실시예 2 및 3에서 제조한 염료화합물도 표 2에는 기재되지 않았지만 실시예 1과 대등한 광전변환 효율을 나타내어 염료감응태양전지의 염료화합물로 유용하게 사용할 수 있음을 확인하였다.As shown in Table 2 and FIG. 2 to FIG. 3, it was confirmed that the dye compound of the present invention exhibited a very high photoelectric conversion efficiency as compared with N719, and the dye compounds prepared in Examples 2 and 3 are also shown in Table 2 However, the photoelectric conversion efficiency was equivalent to that of Example 1, indicating that it could be used as a dye compound of a dye-sensitized solar cell.

Claims (7)

하기 화학식 1로 표시되는 염료:
[화학식 1]
Figure 112018066637753-pat00073

상기 화학식 1에서 Me는 Ru 또는 Os이며,
a1 환은 각각 독립적으로 치환기를 가지지 않거나 1개 이상의 치환기를 가질 수 있으며, 치환기로는 할로겐 원자, 아미드기, 시아노기, 히드록실기, 니트로기, 아실기, C1-30 알킬기, 또는 C1-30 알콕시기 일 수 있으며,
Y는 수소, Na, 또는 TBA(tert-butyl alcohol)이며,
X1 및 X2는 각각 하기 화학식 2로 표시되는 그룹이며,
[화학식 2]
Figure 112018066637753-pat00074

상기 화학식 2에서 A는
Figure 112018066637753-pat00076
,
Figure 112018066637753-pat00077
Figure 112018066637753-pat00078
로 이루어진 군에서 선택되며, 이때 X는 각각 독립적으로 O, S, Se, Si 및 NR5로 이루어진 군으로부터 선택되고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1-12 알킬, 치환 또는 비치환된 C6-30 아릴 및 치환 또는 비치환된 C6-20 헤테로아릴로 이루어진 군에서 선택되거나, 또는 서로 연결되어 환을 형성할 수 있으며, R5는 수소 또는 치환 또는 비치환된 C1-30 알킬이고, n은 1 내지 10의 정수이며,
B는 하기 화학식 4로 표시되는 그룹이며,
[화학식 4]
Figure 112018066637753-pat00080

상기 화학식 4에서 R6 및 R7는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1-30 알킬이며, *는 결합부분이다.
A dye represented by the following formula (1):
[Chemical Formula 1]
Figure 112018066637753-pat00073

In Formula 1, Me is Ru or Os,
a1 rings each independently have a substituent or may have one or more substituents, the substituent include a halogen atom, an amide group, a cyano group, a hydroxyl group, a nitro group, an acyl group, C 1-30 alkyl, or C 1- Lt; / RTI > alkoxy group,
Y is hydrogen, Na, or tert-butyl alcohol (TBA)
X 1 and X 2 are each a group represented by the following formula (2)
(2)
Figure 112018066637753-pat00074

In the formula (2), A represents
Figure 112018066637753-pat00076
,
Figure 112018066637753-pat00077
And
Figure 112018066637753-pat00078
Wherein each X is independently selected from the group consisting of O, S, Se, Si and NR 5 , R 1 and R 2 are each independently selected from the group consisting of hydrogen, substituted or unsubstituted C 1-12 Alkyl, substituted or unsubstituted C 6-30 aryl and substituted or unsubstituted C 6-20 heteroaryl, or may be connected to each other to form a ring, and R 5 is hydrogen or substituted or unsubstituted hwandoen is C 1-30 alkyl, n is an integer from 1 to 10,
B is a group represented by the following formula (4)
[Chemical Formula 4]
Figure 112018066637753-pat00080

In Formula 4, R 6 and R 7 are each independently substituted or unsubstituted C 1-30 alkyl, and * is a bonding moiety.
제1항에 있어서,
상기 염료는 하기 화학식들로 표시되는 화합물들 중 하나인 루테늄(Ru)계 염료:
[화학식 1-25]
Figure 112018066637753-pat00105


[화학식 1-27]
Figure 112018066637753-pat00107


[화학식 1-29]
Figure 112018066637753-pat00109


[화학식 1-31]
Figure 112018066637753-pat00111


[화학식 1-33]
Figure 112018066637753-pat00113


[화학식 1-35]
Figure 112018066637753-pat00115


[화학식 1-37]
Figure 112018066637753-pat00117


[화학식 1-39]
Figure 112018066637753-pat00119


[화학식 1-41]
Figure 112018066637753-pat00121

The method according to claim 1,
The dye is a ruthenium (Ru) -based dye which is one of the compounds represented by the following formulas:
[Chemical Formula 1-25]
Figure 112018066637753-pat00105


[Chemical Formula 1-27]
Figure 112018066637753-pat00107


[Chemical Formula 1-29]
Figure 112018066637753-pat00109


[Chemical Formula 1-31]
Figure 112018066637753-pat00111


[Chemical Formula 1-33]
Figure 112018066637753-pat00113


[Chemical Formula 1-35]
Figure 112018066637753-pat00115


[Chemical Formula 1-37]
Figure 112018066637753-pat00117


[Chemical Formula 1-39]
Figure 112018066637753-pat00119


[Chemical Formula 1-41]
Figure 112018066637753-pat00121

하기 화학식 5의 화합물을 하기 화학식 6, 화학식 7 및 화학식 8의 화합물과 순차적으로 반응시키는 것을 특징으로 하는 화학식 1로 표시되는 염료의 제조방법:
[화학식 5]
Figure 112011085112452-pat00129

[화학식 6]
[RuCl2(p-cymene)]2
[화학식 7]
Figure 112011085112452-pat00130

[화학식 8]
NH4NCS
상기 화학식 5, 6, 7 및 8에서 X1, X2, 및 a1는 제1항에서 정의한 바와 같다.
A process for preparing a dye represented by the following formula (1), wherein the compound represented by the following formula (5) is sequentially reacted with a compound represented by the following formula (6), (7)
[Chemical Formula 5]
Figure 112011085112452-pat00129

[Chemical Formula 6]
[RuCl 2 ( p -cymene)] 2
(7)
Figure 112011085112452-pat00130

[Chemical Formula 8]
NH 4 NCS
X 1 , X 2 , and a 1 in the above formulas (5), (6), (7) and (8) are as defined in claim 1.
제1항 기재의 염료로 담지시킨 산화물 반도체 미립자를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료증감 광전변환소자.A dye-sensitized photoelectric conversion element comprising oxide semiconductor microparticles carried by a dye according to any one of claims 1 to 5. 제4항에 있어서,
상기 염료증감 광전변환소자는 산화물 반도체 미립자에 포섭화합물의 존재하에 염료를 담지시킨 것을 특징으로 하는 염료증감 광전변환소자.
5. The method of claim 4,
Wherein said dye-sensitized photoelectric conversion element is a dye-sensitized photoelectric conversion element in which a dye is supported on oxide semiconductor microparticles in the presence of an inclusion compound.
제4항에 있어서,
상기 산화물 반도체 미립자가 평균 입경이 1-500 nm인 이산화티탄을 필수성분으로 포함하는 것을 특징으로 하는 염료증감 광전변환소자.
5. The method of claim 4,
Wherein the oxide semiconductor fine particles include titanium dioxide having an average particle size of 1-500 nm as an essential component.
제4항 기재의 염료증감 광전변환소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지.A dye-sensitized solar cell comprising the dye-sensitized photoelectric conversion element according to claim 4.
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