KR102428202B1 - Electrochemically polymerized multilayer molecular assembly and method for manufacturing same - Google Patents

Electrochemically polymerized multilayer molecular assembly and method for manufacturing same Download PDF

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위경량
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Abstract

본 발명은 전기화학적 산화 및 환원 방법을 이용하여 단계적, 선택적 고분자화로 다층의 분자 조립체를 제조하는 방법을 제공하며, 전기화학적으로 단계별 산화 및 환원 반응을 활용하여 서로 다른 기능을 가지는 층을 선택적으로 고분자화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다층의 분자 조립체를 이용하여 우수한 광학적, 전기적 안정성을 갖는 광전합성소자를 제공할 수 있다.
The present invention provides a method for manufacturing a multi-layered molecular assembly by step-by-step and selective polymerization using an electrochemical oxidation and reduction method, and selectively polymerizes layers having different functions by using electrochemically step-by-step oxidation and reduction reactions. can get angry
According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a photovoltaic device having excellent optical and electrical stability by using a multi-layered molecular assembly.

Figure 112020122030149-pat00007
Figure 112020122030149-pat00007

Description

전기화학 중합된 다층 분자 조립체 및 이의 제조방법{Electrochemically polymerized multilayer molecular assembly and method for manufacturing same}Electrochemically polymerized multilayer molecular assembly and method for manufacturing same

본 발명은 다층 분자 조립체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 전기화학적 중합으로 결합된 다층의 분자 조립체, 이의 제조방법 및 이를 적용한 광전합성소자에 관한 것이다.The present invention relates to a multilayer molecular assembly and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a multilayer molecular assembly bonded by electrochemical polymerization, a method for manufacturing the same, and a photoelectric synthesis device to which the same is applied.

광전기화학 반응(photoelectrochemical reaction)은 광 에너지에 유도되어 일어나는 전기화학반응을 말한다. 대표적으로 식물의 광합성 또한 광전기화학 반응의 일종으로 엽록체는 광에너지를 흡수하여 물을 산화시킨다. 한편, 수소는 연소 시 오염물질을 방출하지 않는 차세대 청정에너지원이지만 화석연료를 통한 생성법이 주를 이루고 있으나, 최근에는 친환경적인 방법으로서 광에너지에 의한 물분해(Water Splitting) 반응이 새로운 수소 생성 방법으로 제안되었다. A photoelectrochemical reaction refers to an electrochemical reaction induced by light energy. Typically, photosynthesis in plants is also a type of photoelectrochemical reaction, and chloroplasts absorb light energy and oxidize water. On the other hand, although hydrogen is a next-generation clean energy source that does not emit pollutants during combustion, the generation method through fossil fuels is the main method. was proposed as

물분해는 광전합성소자에서 태양에너지에 의해 수소가스를 생성하는 반응 메카니즘이다. 광전합성소자는 광애노드(photoanode)와 상대전극의 두 부분으로 이루어져 있으며, 상기 광애노드(photoanode)는 산소발생반응(oxygen evolution reaction; 이하 'OER', 2H2O+4hν→ O2+4H++4e-)이 일어나며, 상기 상대전극은 수소발생반응(hydrogen evolution reaction; 이하 'HER', 4H++4e-→ 2 H2)이 발생한다. Water decomposition is a reaction mechanism that generates hydrogen gas by solar energy in a photovoltaic device. The photovoltaic device consists of two parts, a photoanode and a counter electrode, wherein the photoanode is an oxygen evolution reaction; hereinafter 'OER', 2H 2 O+4hν→ O 2 +4H + +4e - ) occurs, and a hydrogen evolution reaction (hereinafter 'HER', 4H + +4e - → 2 H 2 ) occurs in the counter electrode.

자연 광합성의 원리에 기반으로 하여, 인공 광합성 연구는 반도체 물질의 광 물리 및 광전기화학적 성질에 대한 근본적인 이해 및 광합성 장치의 다양한 형태로의 실제 적용에 대해 진행되고 있다. 그러나 광애노드(photoanode)에 사용되는 대부분의 유기 염료는 전자 주입 후 라디칼 양이온 종으로 인해서 물에서 불안정할 뿐만 아니라, 산소발생의 효율성이 떨어지는 등의 문제점이 있어 이를 해결하기 위해 다양한 연구가 진행되어 왔다.Based on the principle of natural photosynthesis, artificial photosynthesis research is progressing toward a fundamental understanding of the photophysical and photoelectrochemical properties of semiconductor materials and their practical application in various forms of photosynthetic devices. However, most organic dyes used in photoanodes are not only unstable in water due to radical cationic species after electron injection, but also have problems such as low oxygen generation efficiency, and various studies have been conducted to solve this problem. .

한편, 분자 기반의 광전합성소자의 경우 안정성이 떨어져 실제 실용 가능성이 낮다는 문제가 있다. 이에, 안정성을 높이기 위하여 화학적, 물리적 여러 방법들이 고안되고 제안되어 왔으나, 기존의 방법의 경우 고가의 제작비용 혹은 낮은 안정성을 나타낸다는 문제점이 있다.On the other hand, in the case of a molecular-based photovoltaic device, there is a problem in that the stability is low, and the practical useability is low. Accordingly, various chemical and physical methods have been devised and proposed to increase stability, but the conventional method has a problem in that it exhibits high manufacturing cost or low stability.

이에, 분자 기반의 광전합성소자 제작의 고비용과 낮은 안정성을 해결하기 위한 다양한 방법이 모색되어 왔다. 그 중, 전기화학적 고분자화가 주목을 받고 있으며 연구가 진행되고 있으나 종래의 전기화학적 고분자화의 경우 단순한 형태의 고분자화만을 진행였으며 여러 기능층을 선택적으로 원하는 만큼 고분자화하는 제작법에 대해서는 여전히 연구가 필요한 실정이다.Accordingly, various methods have been sought to solve the high cost and low stability of molecular-based photovoltaic device fabrication. Among them, electrochemical polymerization is attracting attention and research is being conducted, but in the case of conventional electrochemical polymerization, only a simple form of polymerization has been carried out, and research is still needed on a manufacturing method for selectively polymerizing several functional layers as much as desired. the current situation.

본 발명의 하나의 목적은 다양한 기능을 가지는 다층의 분자 조립체를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a multi-layered molecular assembly having various functions.

본 발명의 다른 하나의 목적은 상기 다층의 분자 조립체가 적용된 안정적인 광전합성소자를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a stable photovoltaic device to which the multi-layered molecular assembly is applied.

본 발명의 또 다른 하나의 목적은 전기화학적 방법을 이용한 중합반응으로 다양한 기능을 가지는 다층의 분자 조립체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing a multi-layered molecular assembly having various functions by polymerization using an electrochemical method.

본 발명의 기술적 사상에 따른 다층의 분자 조립체가 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical tasks to be achieved by the multilayer molecular assembly according to the technical spirit of the present invention are not limited to the tasks mentioned above, and other tasks not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 한편, 본 출원에서 개시된 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본 출원에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 출원의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술된 구체적인 서술에 의하여 본 출원의 범주가 제한된다고 볼 수 없다.This will be described in detail as follows. Meanwhile, each description and embodiment disclosed in the present application may be applied to each other description and embodiment. That is, all combinations of the various elements disclosed in this application fall within the scope of this application. In addition, it cannot be seen that the scope of the present application is limited by the detailed description described below.

상기 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 산화물 상에 형성되며 유기물로 구성되는 보호층; 상기 보호층과 전기화학 중합된 발색층; 및 상기 발색층과 전자 이동 연통하며, 상기 발색층과 전기화학 중합된 촉매층을 포함하는, 다층 분자 조립체를 제공한다.In order to achieve the above object, according to an embodiment of the present invention, a protective layer formed on a metal oxide and composed of an organic material; a color development layer electrochemically polymerized with the protective layer; and a catalyst layer that is in electron transfer communication with the chromophoric layer and is electrochemically polymerized with the chromophoric layer.

일 실시예에 따르면, 상기 금속 산화물은 쉘 물질에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 코어 물질을 포함하는 코어-쉘 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to an embodiment, the metal oxide may include core-shell nanoparticles including a core material that is at least partially surrounded by a shell material.

일 실시예에 따르면, 상기 금속 산화물은, 주석 도핑된 인듐 산화물(ITO), 불소 도핑된 주석 산화물(FTO), 안티몬 주석 산화물(ATO), 갈륨 아연 산화물(GZO), 인듐 아연 산화물(IZO), 구리 알루미늄 산화물(CAO), 불소 도핑된 산화 아연(FZO), 산화 아연 알루미늄(AZO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to an embodiment, the metal oxide is tin-doped indium oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), antimony tin oxide (ATO), gallium zinc oxide (GZO), indium zinc oxide (IZO), It may include at least one selected from the group consisting of copper aluminum oxide (CAO), fluorine-doped zinc oxide (FZO), zinc aluminum oxide (AZO), and combinations thereof.

일 실시예에 따르면, 상기 코어 물질은 SnO2, 쉘 물질은 TiO2인 것을 특징으로 할 수 있다.According to an embodiment, the core material may be SnO 2 , and the shell material may be TiO 2 .

상기 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상대 전극; 전해질; 및 전극을 포함하며, 상기 전극은 다층 분자 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자를 제공한다.In order to achieve the above object, according to an embodiment of the present invention, a counter electrode; electrolyte; and an electrode, wherein the electrode includes a multilayer molecular assembly.

일 실시예에 따르면, 상기 전기화학소자는 염료감응형 광전합성소자(Dye-Sensitized Photoelectrosynthesis Cell, DSPEC)인 것을 특징으로 할 수 있다.According to an embodiment, the electrochemical device may be a dye-sensitized photoelectrosynthesis cell (DSPEC).

상기 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 산화물 표면에 보호층을 고정하는 단계; 상기 보호층과 제 1 전기화학 중합으로 발색층을 결합하는 단계; 및 상기 발색층과 제 2 전기화학 중합으로 촉매층을 결합하는 단계를 포함하는, 다층 분자 조립체의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, according to an embodiment of the present invention, the step of fixing a protective layer on the surface of the metal oxide; bonding the protective layer and the color-developing layer through a first electrochemical polymerization; And it provides a method for manufacturing a multi-layer molecular assembly comprising the step of combining the chromophoric layer and the catalyst layer by a second electrochemical polymerization.

일 실시예에 따르면, 상기 제 1 전기화학 중합은 전기 산화 중합(Oxidation Eletropolymerization)이고, 상기 제 2 전기화학 중합은 전기 환원 중합(Reduction Eletropolymerization)인 것을 특징으로 할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the first electrochemical polymerization may be oxidation eletropolymerization, and the second electrochemical polymerization may be reduction eletropolymerization.

본 발명에 따르면 전기화학적 중합된 다층의 분자 조립체는 다양한 기능을 수행하는 분자층 간의 전기화학 결합으로 높은 안정성 및 효용성을 나타낸다.According to the present invention, the electrochemically polymerized multilayer molecular assembly exhibits high stability and utility due to electrochemical bonding between molecular layers performing various functions.

또한, 본 발명에 따른 분자 조립체를 이용한 광전합성소자는 기존의 분자 기반 광전합성소자 보다 우수한 광학적, 전기적 안정성을 나타낼 수 있으며 다양한 pH에서 구현이 가능하다. 또한, 광전합성소자에 있어서, 광애노드는 광전류 감소 없이 지속적인 물 분해가 가능하고, 높은 패러데이 효율로 효율적인 산소 생성이 가능하다.In addition, the photoelectric synthesis device using the molecular assembly according to the present invention can exhibit superior optical and electrical stability than the conventional molecular-based photovoltaic device, and can be implemented at various pHs. In addition, in the photovoltaic device, the photoanode can continuously decompose water without reducing the photocurrent, and it is possible to efficiently generate oxygen with high Faraday efficiency.

또한, 본 발명에 따른 분자 조립체를 제조하는 방법은 전기화학적으로 단계별 산화 및 환원 반응을 활용하여 서로 다른 기능을 가지는 층을 선택적으로 고분자화가 가능하여, 균일한 분자층을 갖는 다층의 분자 조립체를 제조할 수 있다.In addition, the method for manufacturing a molecular assembly according to the present invention can selectively polymerize layers having different functions by using electrochemically step-by-step oxidation and reduction reactions, thereby manufacturing a multi-layered molecular assembly having a uniform molecular layer. can do.

다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 다층의 분자 조립체가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, effects that can be achieved by the multilayer molecular assembly according to an embodiment of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description. will be able

본 명세서에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층의 분자 조립체를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 중합에 의한 표면 합성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층의 분자 조립체를 합성하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층의 분자 조립체의 표면 합성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층의 분자 조립체의 광안정성 및 로딩 비율 의존성을 비교 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층의 분자 조립체가 적용된 소자의 광전류를 비교 도시한 도면으로, (a)TiO2와 SnO2 코어/TiO2 쉘의 광전류 비교, (b) SnO2 코어/TiO2 쉘에서 느린 BET 프로세스를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층의 분자 조립체가 적용된 소자와 기존의 분자 기반 소자의 다양한 pH에서의 광전류 및 광안정성를 비교 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층의 분자 조립체가 적용된 소자와 기존의 분자 기반 소자의 광안정성을 비교 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층의 분자 조립체가 적용된 소자와 기존의 분자 기반 소자의 다양한 pH에서의 광전류 및 광안정성를 비교 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층의 분자 조립체가 적용된 소자의 광전기분해실험 결과를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층의 분자 조립체를 광전합성소자에 적용한 것을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 발색층에 포함되는 화합물의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 도면으로, (a) Ru(bpy)2-thiop 화합물의 1H-NMR 스펙트럼, (b) Ru(vinylbpy)2-thiop 화합물의 1H-NMR 스펙트럼이다.
In order to more fully understand the drawings cited herein, a brief description of each drawing is provided.
1 is a diagram schematically illustrating a multi-layered molecular assembly according to an embodiment of the present invention.
2 is a view schematically showing surface synthesis by electrochemical polymerization according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a process of synthesizing a multi-layered molecular assembly according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram schematically illustrating the surface synthesis of a multi-layered molecular assembly according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing a comparison of photostability and loading ratio dependence of a multi-layered molecular assembly according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing a comparison of photocurrent of a device to which a multi-layered molecular assembly is applied according to an embodiment of the present invention, (a) TiO 2 and SnO 2 Core/TiO 2 Comparison of photocurrent of a shell, (b) SnO 2 core /TiO 2 Represents a slow BET process in the shell.
7 is a view showing comparison of photocurrent and photostability at various pHs of a device to which a multi-layered molecular assembly is applied and a conventional molecular-based device according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram illustrating a comparison of photostability between a device to which a multi-layered molecular assembly is applied and a conventional molecular-based device according to an embodiment of the present invention.
9 is a view showing a comparison of photocurrent and photostability at various pHs of a device to which a multi-layered molecular assembly is applied and a conventional molecular-based device according to an embodiment of the present invention.
10 is a view showing a photoelectrolysis test result of a device to which a multi-layered molecular assembly according to an embodiment of the present invention is applied.
11 is a diagram illustrating application of a multilayer molecular assembly according to an embodiment of the present invention to a photovoltaic device.
12 is a view showing 1 H-NMR spectrum of a compound included in a chromophoric layer according to an embodiment of the present invention, (a) 1 H-NMR spectrum of Ru(bpy) 2 -thiop compound, (b) Ru 1 H-NMR spectrum of (vinylbpy) 2 -thiop compound.

본 명세서에 개시된 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 명세서에 개시된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 명세서에 개시된 기술은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the invention disclosed in this specification can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings, and this will be described in detail through the detailed description. However, this is not intended to limit the technology disclosed herein to specific embodiments, and it should be understood that the technology disclosed herein includes all modifications, equivalents and substitutions included in the spirit and scope of the present invention.

본 명세서에 개시된 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제 1, 제 2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.In describing the invention disclosed in the present specification, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, numbers (eg, first, second, etc.) used in the description process of the present specification are only identification symbols for distinguishing one component from other components.

본 명세서 개시에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.In the present specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only a case in which a member is in contact with another member but also a case in which another member is present between the two members.

본 명세서 개시에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless otherwise stated.

본 명세서 개시에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.As used herein, the terms "about," "substantially," and the like, to the extent used in this disclosure, are used in a sense at or close to the numerical value when the manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented, and are intended to enhance the understanding of this application. To help, precise or absolute figures are used to prevent unfair use by unscrupulous infringers of the stated disclosure.

본 명세서 개시에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.The term “step of” or “step of” as used in the present disclosure does not mean “step for”.

본 명세서 개시에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.In the present specification, the term "combination of these" included in the expression of the Markush format means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the components described in the expression of the Markush format, and the components It means to include one or more selected from the group consisting of.

또한, 이하에서 설명할 구성요소 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성요소가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성요소 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성요소에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.In addition, each of the components to be described below may additionally perform some or all of the functions of other components in addition to the main functions they are responsible for, and some of the main functions of each component may be different It goes without saying that it may be performed exclusively by the component.

다양한 실시예에서 사용된 "제 1", "제 2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.Expressions such as "first", "second", "first", or "second" used in various embodiments may modify various elements regardless of order and/or importance, do not limit For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be renamed to a first component.

이하, 본 발명의 실시예들을 차례로 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail in turn.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 중합된 다층 분자 조립체를 나타내는 도면이다. 1 is a view showing an electrochemically polymerized multilayer molecular assembly according to an embodiment of the present invention.

일 실시예에 따르면, 상기 다층 분자 조립체는 보호층-발색층-촉매층을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the multilayer molecular assembly may include a protective layer- a color-developing layer- a catalyst layer.

본 명세서 개시에서, "다층"은 서로 다른 기능을 수행하는 다기능성 층을 포함하는 의미로 해석된다.In the present disclosure, "multi-layer" is interpreted to include a multi-functional layer that performs different functions.

본 명세서 개시에서, "발색층(chromophore)"은 가시광 영역의 광을 흡수하는 화합물층을 의미한다. 일반적으로 발색층은 빛의 하나 이상의 광자를 흡수하여 여기 상태에 도달하면 전자 이동이 발생할 수 있다. 이는 약 350nm 내지 약 1000nm의 파장을 갖는 하나 이상의 광자가 발색층에 의해 흡수되어 하나 이상의 여기 상태에 도달함을 의미한다. As used herein, the term “chromophore” refers to a compound layer that absorbs light in the visible region. In general, the chromogenic layer absorbs one or more photons of light to reach an excited state, and electron transfer may occur. This means that one or more photons having a wavelength of about 350 nm to about 1000 nm are absorbed by the chromophore to reach one or more excited states.

일 실시예에 따르면, 발색층은 금속-리간드 구조의 금속 배위 착물, 포르피린, 프탈로시아닌, 유기 염료, 및 이들의 조합을 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다. 예시적으로, 상기 금속 배위 착물에 포함되는 금속은 규소(Si), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 탈륨(Tl), 오스뮴(Os), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 마그네슘(Mg) 또는 루테늄(Ru)일 수 있다. According to an embodiment, the chromophoric layer includes, but is not limited to, a metal coordination complex having a metal-ligand structure, a porphyrin, a phthalocyanine, an organic dye, and combinations thereof. Illustratively, the metal included in the metal coordination complex is silicon (Si), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), thallium (Tl), osmium (Os), copper (Cu), iridium ( Ir), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), magnesium (Mg), or ruthenium (Ru).

일 실시예에 따르면, 상기 금속 배위 착물에 포함되는 리간드는 하기 화학식 1로 표시되는 바이-피리딘 화합물일 수 있다:According to one embodiment, the ligand included in the metal coordination complex may be a bi-pyridine compound represented by Formula 1 below:

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020122030149-pat00001
Figure 112020122030149-pat00001

여기서, R1 및 R2는 서로 독립적으로 수소(H), 할로겐, 카르복시기, 술폰산기, 싸이오펜기, 피롤기, 아마이드기, 에스테르기, 아세틸기, 실록산기, 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기, 탄소수 1 내지 10의 알콕시기, 탄소수 1 내지 10의 옥시알킬렌기, 탄소수 1 내지 10의 불소화알킬기, 탄소수 4 내지 20의 아릴알킬기 또는 이들의 유도체 중 어느 하나 이상을 포함한다.Here, R 1 and R 2 are each independently hydrogen (H), halogen, carboxyl group, sulfonic acid group, thiophene group, pyrrole group, amide group, ester group, acetyl group, siloxane group, alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, carbon number Contains any one or more of an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, an oxyalkylene group having 1 to 10 carbon atoms, a fluorinated alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an arylalkyl group having 4 to 20 carbon atoms, or derivatives thereof. .

일 실시예에 따르면, 도 3을 참조하면, 발색층은 Ru Dye를 포함할 수 있고, 예시적으로 하기와 같은 합성방법으로 제공될 수 있다.According to an embodiment, referring to FIG. 3 , the chromophoric layer may include Ru Dye, and may be exemplarily provided by the following synthesis method.

Ru Dye 1Ru Dye 1

Figure 112020122030149-pat00002
Figure 112020122030149-pat00002

Ru Dye 1 : [Ru(bpy)2(thiop)]2+ Ru Dye 1 : [Ru(bpy) 2 (thiop)] 2+

(bpy= 2,2’-bipyridine, thiop= 4,4’-di(thiophen- 2-yl)-2,2’-bipyridine)(bpy= 2,2’-bipyridine, thiop= 4,4’-di(thiophen-2-yl)-2,2’-bipyridine)

Ru Dye 1은 논문 Inorg. Chem. 2013, 52, 21, 12492-12501 참고하여 제조하였다.Ru Dye 1 is the paper Inorg. Chem. 2013, 52, 21, was prepared with reference to 12492-12501.

일 실시예에 따르면, 50mL 2구 둥근 플라스크에 Ru(bpy)2Cl2(0.2g, 0.41mmol), 4,4’-di(thiophen- 2-yl)-2,2’-bipyridine(0.1g, 0.79mmol)을 EtOH/H20 20mL에 용해시킨다. 70℃로 24시간동안 환류 교반한다. Diethyl ether로 감압하여 걸러진 화합물들을 보관한다. Sephadex로 화합물을 깨끗하게 분리를 한다. 진공을 걸어서 남아있는 용매를 완전히 날린다. Yield : 80 % ;According to one embodiment, Ru(bpy) 2 Cl 2 (0.2g, 0.41mmol), 4,4'-di(thiophen-2-yl)-2,2'-bipyridine (0.1g) in a 50mL two-necked round flask , 0.79 mmol) is dissolved in EtOH/H 2 0 20 mL. Stir under reflux at 70°C for 24 hours. Store the filtered compounds under reduced pressure with diethyl ether. Separate the compounds cleanly with Sephadex. Apply a vacuum to completely blow off any remaining solvent. Yield: 80%;

물질 확인을 위한 NMR 데이터: 1H NMR(500 MHz, Acetone-d6) : δ 9.07 (s, 2H) 8.70 (d, 4H) 8.07 (t, 6H) 7.93 (d, 2H) 7.92 (d, 2H) 7.85 (d, 2H) 7.69 (d, 2H) 7.61 (d, 2H) 7.47 (t, 4H) 7.18 (t, 4H).NMR data for substance identification: 1 H NMR (500 MHz, Acetone-d 6 ): δ 9.07 (s, 2H) 8.70 (d, 4H) 8.07 (t, 6H) 7.93 (d, 2H) 7.92 (d, 2H) ) 7.85 (d, 2H) 7.69 (d, 2H) 7.61 (d, 2H) 7.47 (t, 4H) 7.18 (t, 4H).

Ru Dye 2Ru Dye 2

Figure 112020122030149-pat00003
Figure 112020122030149-pat00003

Ru Dye 2 : [Ru(dvbpy)2(thiop)]2+ Ru Dye 2 : [Ru(dvbpy) 2 (thiop)] 2+

(dvbpy= 4,4’-Divinyl-2,2’-bipyridine)(dvbpy = 4,4’-Divinyl-2,2’-bipyridine)

Ru Dye 2는 논문 J. Org. Chem. 2011, 76, 11, 4771-4775 참고하여 제조하였다.Ru Dye 2 was published in the paper J. Org. Chem. 2011, 76, 11, was prepared with reference to 4771-4775.

일 실시예에 따르면, 50mL 2구 둥근 플라스크에 Ru(vinylbpy)2Cl2(0.2g, 0.34mmol), 4,4’-di(thio- phen-2-yl)-2,2’-bipyridine(0.13g, 0.41mmo)을 EtOH/H20 20mL에 용해시킨다. 70℃로 24시간동안 환류 교반한다. Diethyl ether로 감압하여 걸러진 화합물들을 보관한다. Sephadex로 화합물을 깨끗하게 분리를 한다. 진공을 걸어서 남아있는 용매를 완전히 날린다. Yield : 80 %According to one embodiment, Ru(vinylbpy) 2 Cl 2 (0.2g, 0.34mmol), 4,4'-di(thio-phen-2-yl)-2,2'-bipyridine ( 0.13 g, 0.41 mmol) is dissolved in 20 mL of EtOH/H 2 0. Stir under reflux at 70°C for 24 hours. Store the filtered compounds under reduced pressure with diethyl ether. Separate the compounds cleanly with Sephadex. Apply a vacuum to completely blow off any remaining solvent. Yield: 80%

물질 확인을 위한 NMR 데이터: 1H NMR(500 MHz, Acetone-d6) : δ 9.20 (s, 2H) 8.97 (d, 4H) 8.79 (s, 2H) 8.74 (d, 2H) 8.15 (d, 2H) 8.03 (m, 8H) 7.88 (d, 2H) 7.84 (d, 2H) 7.76 (m, 4H) 7.72 (d, 2H) 7.62 (q, 4H) 7.32 (t, 2H) 7.28 (t, 2H)6.93 (m, 6H) 6.36(dd, 6H) 5.74 (m, 6H).NMR data for substance identification: 1 H NMR (500 MHz, Acetone-d 6 ): δ 9.20 (s, 2H) 8.97 (d, 4H) 8.79 (s, 2H) 8.74 (d, 2H) 8.15 (d, 2H) ) 8.03 (m, 8H) 7.88 (d, 2H) 7.84 (d, 2H) 7.76 (m, 4H) 7.72 (d, 2H) 7.62 (q, 4H) 7.32 (t, 2H) 7.28 (t, 2H)6.93 (m, 6H) 6.36 (dd, 6H) 5.74 (m, 6H).

일 실시예에 따르면, Ru Dye 1는 발색층에 최대로 쌓일 수 있는 조건을 알아보기 위한 Ru Dye 2의 비교 물질로써 사용될 수 있으며, 비닐기를 가진 Ru Dye 2는 촉매층과 전기 환원 중합 과정을 거쳐 여러 층의 분자 조립체를 형성시키는 물질로써 사용될 수 있다. 비닐기를 가진 물질들끼리 전기 환원 중합 반응이 실시된다. 본 발명의 실시예에서는 Ru Dye 1과 2 둘 중 하나를 선택적으로 발색층에 도입할 수 있다.According to one embodiment, Ru Dye 1 may be used as a comparative material of Ru Dye 2 to find out the conditions that can be maximally accumulated in the chromogenic layer, and Ru Dye 2 having a vinyl group is subjected to a catalyst layer and electroreduction polymerization process to obtain several It can be used as a material to form molecular assemblies of layers. An electroreduction polymerization reaction is carried out between substances having a vinyl group. In an embodiment of the present invention, either one of Ru Dye 1 and 2 may be selectively introduced into the chromophore layer.

일 실시예에 따르면, 발색층은 촉매층과 전기화학 중합(electrochemical polymerization)으로 조립될 수 있다. 발색층과 전기화학 중합된 촉매층은 발색층과 전자 이동 연통(electron-transfer communication)하며, 하나 이상의 광자를 흡수할 수 있으며 전자 이동에 관여할 수 있다. 이는 발색층이 빛의 광자를 흡수하고 전자를 촉매층으로 전달할 때 발생할 수 있다. 이때 하나 이상의 전자가 관여될 수 있다. 예시적으로, 발색층은 첫 번째 광자의 흡수 후 촉매를 산화시킨 다음 두 번째 광자의 흡수로 촉매를 더 산화시킬 수 있다.According to an embodiment, the color development layer may be assembled with the catalyst layer by electrochemical polymerization. The chromophoric layer and the electrochemically polymerized catalyst layer are in electron-transfer communication with the chromophore, and can absorb one or more photons and participate in electron transfer. This can occur when the chromophore absorbs photons of light and transfers electrons to the catalyst layer. In this case, one or more electrons may be involved. Exemplarily, the chromophoric layer may oxidize the catalyst after absorption of the first photon, and then further oxidize the catalyst by absorption of the second photon.

일 실시예에 따르면, 발색층은 비닐-기능화된 복합체(Vinyl-functionalized complex)를 포함하며 촉매층과 전기화학 중합으로 결합할 수 있다. 예시적으로, 도 4를 참조하면, 발색층에 포함되는 비닐기가 촉매층에 포함되는 비닐기와 전기 환원 중합(Reduction Eletropolymerization)으로 결합될 수 있다.According to an embodiment, the chromophoric layer includes a vinyl-functionalized complex and may be combined with the catalyst layer by electrochemical polymerization. For example, referring to FIG. 4 , a vinyl group included in the color development layer may be combined with a vinyl group included in the catalyst layer through reduction eletropolymerization.

일 실시예에 따르면, 전기산화중합은, 양전압 조건에서 피롤(pyrrole), 싸이오펜(thiophene) 종류의 분자들이 탄소-탄소 결합을 생성할 수 있다. According to an embodiment, in the electrooxidative polymerization, pyrrole and thiophene-type molecules may form a carbon-carbon bond under a positive voltage condition.

일 실시예에 따르면, 전기환원중합은, 음전압 조건에서 예시적으로 비닐기(vinyl)를 가진 분자들이 탄소-탄소 결합을 형성할 수 있다. 특히 비닐 작용기를 가지는 화합물들의 전기환원중합은 높은 pH에서도 전기화학적, 광화학적 안정성을 가진다.According to an embodiment, in the electroreduction polymerization, molecules having a vinyl group may form a carbon-carbon bond under negative voltage conditions. In particular, the electroreduction polymerization of compounds having a vinyl functional group has electrochemical and photochemical stability even at high pH.

본 발명에 따른 전기화학 중합법은 조립체(염료-촉매 조립체)를 한 번에 합성하는 방법에 비해 단기간 합성이 가능하며, 조립체에 필요한 단분자들을 합성하는 기술이 까다롭지 않아 비교적 용이한 환경에서 합성이 가능하다. 특히, 단분자들을 순차적으로 조립하기 때문에 각각의 역할을 파악하고 조절할 수 있다.The electrochemical polymerization method according to the present invention can be synthesized in a short period of time compared to a method of synthesizing an assembly (dye-catalyst assembly) at once, and the technique for synthesizing single molecules required for assembly is not difficult, so synthesis in a relatively easy environment This is possible. In particular, since the single molecules are sequentially assembled, the role of each can be identified and controlled.

일 실시예에 따르면, 상기 촉매층에 포함되는 촉매 물질로는 다른 분자의 화학 반응을 촉진하는 물질이면 제한 없이 사용 가능하다. 예시적으로, 상기 촉매 물질은  [Ru(tpy)(bpy)(OH2)]2+, [Ru(tpy)(bpm)(OH2)]2+, [Ru(tpy)(bpz)(OH2)]2+, [Ru(tpy)(Mebim-pz)(OH2)]2+, [Ru(tpy)(Mebim-py)(OH2)]2+, [Ru(DMAP)(bpy)(OH2)]2+, [Ru(Mebimpy)(bpy)(OH2)]2+, [Ru(Mebimpy)(Mebim- pz)(OH2)]2+, [Ru(Mebimpy)(Mebimpy)(OH2)]2+, {Ru(Mebimpy)[4,4'- ((HO)2OPCH2)2bpy](OH2)}2+, Os(tpy)(bpy)(OH2)2+ 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 여기서, bpm은 2,2'- bipyrimidine; bpz은 2,2'-bipyrazine; Mebim-pz은 3-methyl-1 -pyrazylbenzimidazol-2- ylidene; Mebim-py은 3-methyl-1 -pyridylbenzimidazol-2-ylidene; Mebimpy는 2,6- bis(1 -methylbenzimidazol-2-yl)pyridine; 그리고 DMAP는 2,6- bis((dimethylamino)methyl)pyridine이다. According to an embodiment, as the catalyst material included in the catalyst layer, any material that promotes a chemical reaction of another molecule may be used without limitation. Illustratively, the catalyst material is [Ru(tpy)(bpy)(OH 2 )] 2+ , [Ru(tpy)(bpm)(OH 2 )] 2+ , [Ru(tpy)(bpz)(OH) 2 )] 2+ , [Ru(tpy)(Mebim-pz)(OH 2 )] 2+ , [Ru(tpy)(Mebim-py)(OH 2 )] 2+ , [Ru(DMAP)(bpy) (OH 2 )] 2+ , [Ru(Mebimpy)(bpy)(OH 2 )] 2+ , [Ru(Mebimpy)(Mebim- pz)(OH 2 )] 2+ , [Ru(Mebimpy)(Mebimpy) (OH 2 )] 2+ , {Ru(Mebimpy)[4,4′- ((HO) 2 OPCH 2 ) 2 bpy](OH 2 )} 2+ , Os(tpy)(bpy)(OH 2 ) 2 + and combinations thereof. where bpm is 2,2'-bipyrimidine; bpz is 2,2'-bipyrazine; Mebim-pz is 3-methyl-1 -pyrazylbenzimidazol-2-ylidene; Mebim-py is 3-methyl-1-pyridylbenzimidazol-2-ylidene; Mebimpy is 2,6-bis(1-methylbenzimidazol-2-yl)pyridine; And DMAP is 2,6-bis((dimethylamino)methyl)pyridine.

일 실시예에 따르면, 상기 촉매 물질은 하기 화학식2로 표시되는 화합물, 이의 염 또는 이의 유도체일 수 있다:According to one embodiment, the catalyst material may be a compound represented by the following formula (2), a salt thereof, or a derivative thereof:

[화학식 2][Formula 2]

Ru(2,2′-bipyridine-6,6′-dicarboxylate)(R3)(R4)Ru(2,2′-bipyridine-6,6′-dicarboxylate)(R 3 )(R 4 )

여기서, R3 및 R4는 서로 독립적으로 피리딘, 4-비닐 피리딘, 피리딘-4-일 메틸 포스폰산 및 이의 탈양성자화된 유도체, 및 치환/비치환된 이소 퀴놀린 중 어느 하나 이상을 포함한다. 예시적으로, 상기 촉매 물질은 Ru((2,2′-bipyridine-6,6′-dicarboxylate)(4-vinylpyridine)2, 이의 염 또는 이의 유도체 일 수 있다. 또 다른 예시적으로, 상기 촉매 물질은 Ru((2,2′-bipyridine-6,6′-dicarboxylate)(pyridin-4-ylmethylphosphonic acid)2, 이의 염 또는 이의 유도체 일 수 있다. 또 다른 예시적으로, 상기 촉매 물질은 IrO2  나노 입자일 수 있다.Here, R 3 and R 4 independently of each other include any one or more of pyridine, 4-vinyl pyridine, pyridin-4-yl methyl phosphonic acid and deprotonated derivatives thereof, and substituted/unsubstituted isoquinoline. Illustratively, the catalyst material may be Ru((2,2′-bipyridine-6,6′-dicarboxylate)(4-vinylpyridine) 2 , a salt or a derivative thereof. In another exemplary embodiment, the catalyst material may be Ru((2,2′-bipyridine-6,6′-dicarboxylate)(pyridin-4-ylmethylphosphonic acid) 2 , a salt or a derivative thereof. In another example, the catalyst material is IrO 2 nano It may be a particle.

일 실시예에 따르면, 촉매층은 적어도 하나의 화학 반응을 수행하도록 개조될 수 있다. 여기서, 적절한 화학 반응이 나타날 수 있다. 예시적으로, 물이 산화될 수 있다. 또 다른 예시적으로, 이산화탄소가 환원될 수 있다. 또 다른 예시적으로, 전자 스캐빈저(scavenger) 또는 홀 스캐빈저는 각각 환원되거나 산화될 수있다. 예시적으로, 상기 스캐빈저는 하이드로 퀴논 및 요오드화물/ 트라이-요오드화물을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.According to one embodiment, the catalyst layer may be adapted to carry out at least one chemical reaction. Here, an appropriate chemical reaction may occur. Illustratively, water may be oxidized. As another example, carbon dioxide may be reduced. As another example, an electron scavenger or a hole scavenger may be reduced or oxidized, respectively. Illustratively, the scavengers include, but are not limited to, hydroquinone and iodide/tri-iodide.

본 발명의 일 실시예에 따른 분자 조립체는 다양한 기능을 가지는 여러 층의 단계적 조립에 의해 제조될 수 있다. 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층의 분자 조립체를 합성하는 과정을 나타낸다.The molecular assembly according to an embodiment of the present invention may be manufactured by stepwise assembly of several layers having various functions. 2 and 3 show a process of synthesizing a multi-layered molecular assembly according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 임의의 금속 산화물 상에 보호층(Protection Layer)을 로딩(Loading)하고, 이후에, 보호층과 발색층 전기 산화 중합(Oxidation Eletropolymerization)으로 결합하고, 발색층과 촉매층이 전기 환원 중합(Reduction Eletropolymerization)으로 중합되어 다층 분자 조립체를 형성할 수 있다.Referring to FIG. 2 , a protective layer is loaded on an arbitrary metal oxide, and then, the protective layer and the chromophoric layer are combined by Oxidation Eletropolymerization, and the chromophoric layer and the catalyst layer are electrically It can be polymerized by reduction polymerization to form a multilayer molecular assembly.

일 실시예에 따르면, 보호층은 전기 산화 중합이 가능한 유기물로 구성될 수 있다. 일반적으로, 전기 산화 중합이 가능한 유기물은 방향성(aromaticity)이 있으며, 용매나 전해질 염이 분해되지 않는 비교적 낮은 전위에서 산화되어야 한다. 또한, 방향성이 유지되면서 친전자성 치환반응(Electrophilic substitution reaction)이 일어날 수 있다. 예시적으로, 상기 유기물은 피롤(Pyrrole), 바이피롤(Bipyrrole), 터피롤(Terpyrrol), 싸이오펜(Thiophen), 바이싸이오펜(Bithiophen), 터싸이오펜(Terthiophene), 아줄렌(Azulene), 피렌(Pyrene), 카바졸(Carbazole) 및 이들의 유도체를 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다. According to one embodiment, the protective layer may be composed of an organic material capable of electrooxidative polymerization. In general, an organic material capable of electrooxidative polymerization has aromaticity, and must be oxidized at a relatively low potential in which a solvent or electrolyte salt is not decomposed. In addition, an electrophilic substitution reaction may occur while the directionality is maintained. Illustratively, the organic material is pyrrole, bipyrrole, terpyrrol, thiophene, bithiophene, terthiophene, azulene, Pyrene (Pyrene), carbazole (Carbazole), and derivatives thereof include, but are not limited thereto.

도 3을 참조하면, 보호층은 유기층(OrgD)인 Terthiophene dye를 포함할 수 있고, 예시적으로 하기와 같은 합성방법으로 제공될 수 있다.Referring to FIG. 3 , the passivation layer may include terthiophene dye which is an organic layer (OrgD), and may be provided by way of example as follows.

유기층(OrgD)organic layer (OrgD)

Figure 112020122030149-pat00004
Figure 112020122030149-pat00004

제 1 단계: Diethyl[2,2’:5’,2’‘-terthiophene]-5-ylphosphonate) Step 1: Diethyl[2,2’:5’,2’’-terthiophene]-5-ylphosphonate)

일 실시예에 따르면, 100mL 2구 둥근 플라스크에 2,2’:5’,2’‘-terthiophene(0.3g, 0.91mmol)을 THF 25mL에 용해시킨다. 균일하게 용해 된 것을 확인 후, 이 용액을 10분 정도 아르곤 퍼징을 한다. n-BuLi 반응을 하기 위해서 드라이아이스를 사용하여 플라스크의 온도를 -78℃로 유지시킨다. 10분 뒤에 플라스크에 n-BuLi(0.23mL, 1.83mmol)을 천천히 적가한다. 10분 뒤 Diethylchlorophosphate(0.77mL, 5.50mmol)을 천천히 적가한다. 드라이 아이스 베스를 제거하고 실온에서 12시간 동안 교반 한다. 반응을 마무리하고 남아있는 물질들을 제거하기 위하여 과량의 증류수와 Diethyl ether 용매로 반응을 완결 짓는다. Diethyl ether 층에 있는 화합물을 추출하고, MgSO4을 넣음으로써 유기 용매에 남아있는 증류수를 제거를 한다. MgSO4를 거르기 위해서 감압한다. 그리고 회전 증발기를 이용하여 남아있는 용매를 제거를 한다. 컬럼 크로마토그래피 방법을 사용하여 화합물을 얻었다. Yield : 50 %According to one embodiment, 2,2':5',2''-terthiophene (0.3g, 0.91mmol) is dissolved in 25mL of THF in a 100mL two-necked round flask. After confirming that the solution is uniformly dissolved, the solution is purged with argon for about 10 minutes. For the n-BuLi reaction, the temperature of the flask is maintained at -78°C using dry ice. After 10 minutes, n-BuLi (0.23 mL, 1.83 mmol) is slowly added dropwise to the flask. After 10 minutes, diethylchlorophosphate (0.77 mL, 5.50 mmol) is slowly added dropwise. Remove the dry ice bath and stir at room temperature for 12 hours. To finish the reaction and remove the remaining substances, the reaction is completed with an excess of distilled water and diethyl ether solvent. The compound in the diethyl ether layer is extracted, and distilled water remaining in the organic solvent is removed by adding MgSO 4 . It pressure-reduced in order to filter MgSO4. Then, the remaining solvent is removed using a rotary evaporator. Column chromatography method was used to obtain the compound. Yield: 50%

물질 확인을 위한 NMR 데이터: 1H NMR(500 MHz, CDCl3) : δ 7.84 (d, 1H) 7.58 (d, 1H) 7.52 (d, 1H) 7.48 (d, 1H) 7.46 (d, 1H) 7.25 (d, 1H) 7.06 (t, 1H) 4.14 (m, 4H) 1.21 (t, 6H).NMR data for substance identification: 1 H NMR (500 MHz, CDCl 3 ): δ 7.84 (d, 1H) 7.58 (d, 1H) 7.52 (d, 1H) 7.48 (d, 1H) 7.46 (d, 1H) 7.25 (d, 1H) 7.06 (t, 1H) 4.14 (m, 4H) 1.21 (t, 6H).

제 2 단계: ([2,2’:5’,2’‘-terthiophene]-5-ylphosphonic acid) Step 2: ([2,2':5',2''-terthiophene]-5-ylphosphonic acid)

일 실시예에 따르면, 100mL 2구 둥근 플라스크에 Diethyl[2,2’:5’,2’‘-terthiophene]-5-ylphos- phonate(0.6g, 1.56mmol), Bromotrimethylsilane(2.02mL, 15.6mmol)를 CH2Cl2 10mL에 용해시킨다. 아르곤 퍼징을 20분 정도하고 실온에서 5시간동안 교반한다. 반응을 마무리하고 남아있는 물질들을 제거하기 위하여 과량의 증류수와 CH2Cl2 용매로 반응을 완결 짓는다. CH2Cl2 층에 있는 화합물을 추출하고, MgSO4을 넣음으로써 유기 용매에 남아있는 증류수를 제거를 한다. MgSO4를 거르기 위해서 감압한다. 그리고 회전 증발기를 이용하여 남아있는 용매를 제거를 한다. 컬럼 크로마토그래피 방법을 사용하여 어두운 연두색 고체의 [2,2’:5’,2’‘-terthiophene] -5-ylphosphonic acid을 얻었다. Yield : 70%According to one embodiment, Diethyl[2,2':5',2''-terthiophene]-5-ylphos-phonate (0.6g, 1.56mmol), Bromotrimethylsilane (2.02mL, 15.6mmol) in a 100mL two-necked round flask is dissolved in 10 mL of CH 2 Cl 2 . Argon purging was carried out for about 20 minutes, followed by stirring at room temperature for 5 hours. To finish the reaction and remove the remaining substances, the reaction is completed with an excess of distilled water and a CH 2 Cl 2 solvent. Extracting the compound in the CH 2 Cl 2 layer, and adding MgSO 4 to remove the distilled water remaining in the organic solvent. It pressure-reduced in order to filter MgSO4. Then, the remaining solvent is removed using a rotary evaporator. [2,2':5',2''-terthiophene]-5-ylphosphonic acid as a dark yellow-green solid was obtained by column chromatography. Yield: 70%

물질 확인을 위한 NMR 데이터: 1H NMR(500 MHz, D2O) : δ 7.86 (d, 1H) 7.50 (s, 2H) 7.43-7.38 (m, 2H) 7.20 (d, 1H) 7.06 (t, 1H) 1.91 (s, 1H).NMR data for substance identification: 1 H NMR (500 MHz, D 2 O): δ 7.86 (d, 1H) 7.50 (s, 2H) 7.43-7.38 (m, 2H) 7.20 (d, 1H) 7.06 (t, 1H) 1.91 (s, 1H).

일 실시예에 따르면, 보호층은 임의의 적절한 방식으로 금속 산화물 표면에 고정될 수 있다. 보호층의 로딩 방법으로 공유 결합, 이온 결합 및 이들의 조합이 포함될 수 있다.According to one embodiment, the protective layer may be secured to the metal oxide surface in any suitable manner. A method of loading the protective layer may include a covalent bond, an ionic bond, and a combination thereof.

일 실시예에 따르면, 분자 조립체는 임의의 적합한 금속 산화물 표면에 형성될 수 있으며, 전도성, 반도전성 및 절연성 금속 산화물 표면이 포함될 수 있다. 예시적으로 코어-쉘 나노 입자의 표면 상에 형성될 수 있다. 예시적으로, 금속 산화물은 주석 도핑된 인듐 산화물(ITO), 불소 도핑된 주석 산화물(FTO), 안티몬 주석 산화물(ATO), 갈륨 아연 산화물(GZO), 인듐 아연 산화물(IZO), 구리 알루미늄 산화물(CAO), 불소 도핑된 산화 아연(FZO), 산화 아연 알루미늄(AZO) 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또 다른 예시적으로, 금속 산화물은 SiO2, Sn02, Ti02, Al2O3, Nb205, SrTi03, Zn2Sn04, Zr02, NiO, V2O5, MoO3, WO3, Ta2O5, Nb2O2, Ta- 도핑된 Ti02, Nb-도핑된 Ti02 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. According to one embodiment, the molecular assembly may be formed on any suitable metal oxide surface, including conductive, semiconducting and insulating metal oxide surfaces. For example, it may be formed on the surface of the core-shell nanoparticles. Illustratively, the metal oxide is tin-doped indium oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), antimony tin oxide (ATO), gallium zinc oxide (GZO), indium zinc oxide (IZO), copper aluminum oxide ( CAO), fluorine-doped zinc oxide (FZO), zinc aluminum oxide (AZO), and combinations thereof. In another exemplary embodiment, the metal oxide is SiO 2 , Sn0 2 , Ti0 2 , Al 2 O 3 , Nb 2 0 5 , SrTi0 3 , Zn 2 Sn0 4 , Zr0 2 , NiO, V 2 O 5 , MoO 3 , WO 3 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 2 , Ta-doped TiO 2 , Nb-doped TiO 2 , and combinations thereof.

일 실시예에 따르면, 금속 산화물 표면은 임의의 적절한 형태일 수 있다. 예시적으로, 모놀리식(monolithic), 단결정(single crystal), 나노 결정(nanocrystalline), 다공성(porous) 또는 비 다공성(nonporous), 미크론-크기 입자(micron-size particles) 및 평균 크기가 약 1 μm 미만인 나노 입자(nanoparticles) 형태일 수 있다. According to one embodiment, the metal oxide surface may be of any suitable shape. Illustratively, monolithic, single crystal, nanocrystalline, porous or nonporous, micron-size particles and an average size of about 1 It may be in the form of nanoparticles that are smaller than μm.

본 발명의 일 실시예에 따른 분자 조립체는 염료감응형 광전기화학소자(PEC)와 같은 전기화학소자에 적용될 수 있다. The molecular assembly according to an embodiment of the present invention may be applied to an electrochemical device such as a dye-sensitized photoelectrochemical device (PEC).

일 실시예에 따르면, 상기 전기화학소자는, 상대 전극, 전해질 및 전극을 포함하는 염료감응형 광전합성소자(Dye-Sensitized Photoelectrosynthesis Cell, DSPEC)일 수 있다. 여기서, 적절한 상대 전극을 사용할 수 있다. 예시적으로, 백금, 니켈, 세라믹 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 제 2 전극 또는 제 3 전극 구성이 사용될 수 있으며, 제 3 전극은 임의의 적합한 기준 전극이다. 예시적으로, 기준 전극은 표준 수소 전극(SHE), 일반 수소 전극(NHE), 염화은 전극, 포화 칼로멜 전극(SCE) 및 포화 나트륨 칼로멜 전극(SSCE)에서 선택될 수 있다. According to an embodiment, the electrochemical device may be a dye-sensitized photoelectrosynthesis cell (DSPEC) including a counter electrode, an electrolyte, and an electrode. Here, an appropriate counter electrode may be used. Illustratively, it may be selected from platinum, nickel, ceramic, and combinations thereof, but is not limited thereto. Also, a second electrode or a third electrode configuration may be used, the third electrode being any suitable reference electrode. Illustratively, the reference electrode may be selected from a standard hydrogen electrode (SHE), a normal hydrogen electrode (NHE), a silver chloride electrode, a saturated calomel electrode (SCE), and a saturated sodium calomel electrode (SSCE).

또한, 임의의 적합한 전해질이 사용될 수 있다. 예시적으로, 상기 전해질은, I-/I3 - 산화-환원 전해질, 용해된 LiI/I2를 포함하는 전해질로서 THF, DMSO, DMF, 각종 니트릴, 알코올 등을 포함하는 다수의 통상적인 유기 용매, 수성 전해질, 물, 알칼리성 전해질, 산성 전해질 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Also, any suitable electrolyte may be used. Illustratively, the electrolyte is an I - /I 3 - oxidation-reduction electrolyte, an electrolyte including dissolved LiI/I 2 , and a plurality of conventional organic solvents including THF, DMSO, DMF, various nitriles, alcohols, and the like. , an aqueous electrolyte, water, an alkaline electrolyte, an acidic electrolyte, and the like, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자에 있어서, 임의의 유용한 광전기화학이 수행될 수 있다. In the electrochemical device according to an embodiment of the present invention, any useful photoelectrochemistry may be performed.

일 실시예에 따르면, 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하여 수소에너지로 전환시키는 과정을 포함할 수 있다. 예시적으로, 반도체 물질로 구성된 광전극에 띠간격 에너지(Band Gap) 이상의 에너지를 가지는 광자(태양광에너지)가 입사되면, 광전기효과에 의해서 반도체내에는 전자정공쌍(EHP)이 형성되며, 이 전자정공쌍(EHP)들은 반도체-전해질계면의 띠굽음 현상(Band Bending)에 의해서 분리된다. 분리된 정공(h+)은 반도체-전해질 계면에서 물(H2O)을 산화시켜 양성자이온(H+)을 생성하고 산소기체(O2)를 발생시킨다. 분리된 전자(e-)는 외부회로를 따라 음극으로 이동하여, 전해질을 통해 이동한 양성자이온(H+)을 음극-전해질 계면에서 환원시켜 수소기체(H2)를 발생시킨다.According to an embodiment, it may include a process of decomposing water (H 2 O) into hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) to convert it into hydrogen energy. For example, when a photon (solar energy) having energy greater than or equal to the band gap energy is incident on a photoelectrode made of a semiconductor material, electron hole pairs (EHP) are formed in the semiconductor by the photoelectric effect, Electron hole pairs (EHP) are separated by band bending at the semiconductor-electrolyte interface. The separated holes (h + ) oxidize water (H 2 O) at the semiconductor-electrolyte interface to generate proton ions (H + ) and generate oxygen gas (O 2 ). The separated electrons (e ) move to the cathode along the external circuit, and the proton ions (H + ) moved through the electrolyte are reduced at the cathode-electrolyte interface to generate hydrogen gas (H 2 ).

일 실시예에 따르면, 광애노드 전극은, 전도성 기판과 접촉되는 코어-쉘 나노 입자, 상기 나노 입자와 접촉되는 보호층을 갖는 다층 분자 조립체를 포함할 수 있다. 광애노드 전극에서 전해질내 반응은 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- 이다. According to an embodiment, the photoanode electrode may include a multilayer molecular assembly having core-shell nanoparticles in contact with the conductive substrate and a protective layer in contact with the nanoparticles. In the photoanode electrode, the reaction in the electrolyte is 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e - .

일 실시예에 따르면, 임의의 적절한 전도성 기판이 전극에 사용될 수 있다. 전도성 기판을 이루는 물질은 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxide, TCO), 투명 전도성 고분자, 카본 전도성 물질, 금속, 금속 산화물, 금속 질화물 및 금속 산질화물 등 전도성 물질을 모두 포함하는 개념이다. 예시적으로, 전도성 금속 산화물은 주석 도핑된 인듐 산화물(ITO), 불소 도핑된 주석 산화물(FTO), 안티몬 주석 산화물(ATO), 갈륨 아연 산화물(GZO), 인듐 아연 산화물(IZO), 구리 알루미늄 산화물(CAO), 불소 도핑된 산화 아연(FZO), 산화 아연 알루미늄(AZO) 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 전도성 금속 산화물은 투명하고 가시 광선 스펙트럼의 50 % 이상을 투과한다. 전극은 적절한 치수와 기하학적 모양을 가질 수 있으며, 평면 형태일 수 있다.According to one embodiment, any suitable conductive substrate may be used for the electrode. The material constituting the conductive substrate is a concept including all conductive materials such as transparent conductive oxide (TCO), transparent conductive polymer, carbon conductive material, metal, metal oxide, metal nitride, and metal oxynitride. Illustratively, the conductive metal oxide is tin-doped indium oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), antimony tin oxide (ATO), gallium zinc oxide (GZO), indium zinc oxide (IZO), copper aluminum oxide (CAO), fluorine-doped zinc oxide (FZO), zinc aluminum oxide (AZO), and combinations thereof. Conductive metal oxides are transparent and transmit more than 50% of the visible light spectrum. The electrodes may have suitable dimensions and geometric shapes, and may have a planar shape.

일 실시예에 따르면, 상기 전극은 쉘 물질에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 코어 물질을 포함하는 하나 이상의 코어-쉘 나노 입자를 포함할 수 있다. 상기 코어-쉘 나노 입자는 동일한 물질을 포함할 수 있거나, 다른 물질을 갖는 코어-쉘 나노 입자의 혼합물일 수 있다. 적절한 코어 물질을 사용할 수 있으며, 경우에 따라 코어 물질은 반도체 금속 산화물일 수 있다. 예시적으로, 코어 물질은 주석 도핑된 인듐 산화물(ITO), 불소 도핑된 주석 산화물(FTO), 안티몬 주석 산화물(ATO), 갈륨 아연 산화물(GZO), 인듐 아연 산화물(IZO), 구리 알루미늄 산화물(CAO), 불소 도핑된 산화 아연(FZO), 산화 아연 알루미늄(AZO) 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또 다른 예시적으로, 금속 산화물은 SiO2, Sn02, Ti02, Al2O3, Zr02 또는 이들 중 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 코어 물질은 전기 전도성 기판과 전자 이동 연통할 수 있다. 이는 코어 물질 사이에서 전기 전도성 기판으로의 전자 이동을 허용하여 전류가 전극을 통해 흐르도록 한다.According to an embodiment, the electrode may include one or more core-shell nanoparticles including a core material surrounded at least partially by a shell material. The core-shell nanoparticles may include the same material or may be a mixture of core-shell nanoparticles having different materials. Any suitable core material may be used, and in some cases the core material may be a semiconductor metal oxide. Illustratively, the core material is tin-doped indium oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), antimony tin oxide (ATO), gallium zinc oxide (GZO), indium zinc oxide (IZO), copper aluminum oxide ( CAO), fluorine-doped zinc oxide (FZO), zinc aluminum oxide (AZO), and combinations thereof. As another example, the metal oxide may include SiO 2 , Sn0 2 , Ti0 2 , Al 2 O 3 , Zr0 2 , or a combination of two or more thereof. The core material may be in electrophoretic communication with the electrically conductive substrate. This allows electrons to move between the core material to the electrically conductive substrate, allowing current to flow through the electrodes.

일 실시예에 따르면, 적절한 쉘 물질을 사용할 수 있다. 예시적으로, Ti02, Al2O3, ZnO 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 경우에 따라, 쉘 물질이 반도체 또는 절연 금속 산화물 물질을 포함하는 반면, 코어 물질은 전도성 또는 그 이상의 전도성 물질을 포함할 수 있으며, 바람직하게 쉘 물질은 반도체 물질이다. 전자 이동이 발생하기 위해 경우에 따라 코어 물질은 쉘 물질의 전도대(conduction band) 전위보다 더 양의 전도대 전위를 갖는다. 예를 들어, 코어 물질 전도대 전위는 쉘 물질의 전도대 전위보다 약 0.2V 이상, 약 0.3V 이상, 또는 약 0.4V 이상 더 양의 값을 가질 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서 상기 코어-쉘 나노 입자는 코어가 SnO2, 쉘이 TiO2인 구조로 이루어질 수 있다. 도 6을 참조하면, SnO2 코어, TiO2 쉘로 구성된 나노 입자에 의하면 TiO2로 이루어진 나노 입자에 비해 코어-쉘 효과로 인해 광전 소자의 광전류가 현저히 향상됨을 알 수 있다. 코어-쉘 구조의 경우 코어와 쉘의 장점을 동시에 가질수 있는 장점이 있다. 특히, SnO2 코어는 빠르게 전자를 전극으로 이동 시키시 때문에 광전 소자의 광전류가 현저히 향상되며, TiO2 쉘은 주입된 전자가 원래 자리로 돌아가지 않도록하는 BET(Back Elctron Transfer) 프로세스를 줄여 빛을 이용하여 주입한 전자가 원래 자리로 돌아오지 못하도록 하여 효율을 극대화할 수 있다. 이 때문에 SnO2 코어/TiO2 쉘을 사용하며, 코어-쉘을 사용하지 않으면 현상은 비슷하게 얻을 수 있지만 광전 변환 성능이 떨어지는 특성이 있다. 따라서 본 발명에 따르면, SnO2 코어/TiO2 쉘을 사용함으로써, 높은 효율을 달성할 수 있다.According to one embodiment, any suitable shell material may be used. Illustratively, it may include Ti0 2 , Al 2 O 3 , ZnO, and combinations thereof. Optionally, the shell material comprises a semiconducting or insulating metal oxide material, while the core material may comprise a conductive or more conductive material, preferably the shell material is a semiconducting material. In some cases, the core material has a more positive conduction band potential than the conduction band potential of the shell material in order for electron transfer to occur. For example, the core material conduction band potential may be at least about 0.2 V, at least about 0.3 V, or at least about 0.4 V more positive than the conduction band potential of the shell material. In a preferred embodiment, the core-shell nanoparticles may have a structure in which the core is SnO 2 and the shell is TiO 2 . Referring to FIG. 6 , according to the nanoparticles composed of SnO 2 core and TiO 2 shell, it can be seen that the photocurrent of the photoelectric device is significantly improved due to the core-shell effect compared to nanoparticles composed of TiO 2 . In the case of a core-shell structure, there is an advantage of having the advantages of a core and a shell at the same time. In particular, since the SnO 2 core quickly moves electrons to the electrode, the photocurrent of the photoelectric device is significantly improved, and the TiO 2 shell uses light by reducing the BET (Back Electron Transfer) process that prevents the injected electrons from returning to their original positions. Thus, it is possible to maximize the efficiency by preventing the injected electrons from returning to their original positions. For this reason, SnO 2 core/TiO 2 shell is used, and if the core-shell is not used, a similar phenomenon can be obtained, but the photoelectric conversion performance is poor. Therefore, according to the present invention, by using the SnO 2 core/TiO 2 shell, high efficiency can be achieved.

일 실시예에 따르면, 쉘 물질은 코어 물질을 부분적으로 둘러 싸거나, 쉘 물질이 코어 물질을 완전히 포함할 수 있다. According to one embodiment, the shell material may partially surround the core material, or the shell material may completely comprise the core material.

일 실시예에 따르면, 코어-쉘 나노 입자는 임의의 적절한 크기일 수 있다. 코어 물질은 경우에 따라 최대 약 1 pm 치수의 나노 입자를 형성할 수 있으며, 그 후 쉘 물질이 그 위에 형성되거나 증착될 수 있다. 예시적으로, 적어도 약 1 nm, 적어도 약 10 nm, 적어도 약 20 nm, 적어도 약 50 nm, 적어도 약 100 nm, 적어도 약 250 nm의, 적어도 약 500 nm의, 또는 적어도 약 800 nm의 치수를 갖는 나노 입자 형태의 코어 물질을 제공한다. 또 다른 예시적으로, 코어 물질 나노 입자는 약 5 nm 이하, 약 15 nm 이하, 약 25 nm 이하, 약 75 nm 이하, 약 150 nm 이하, 약 300 이하, 약 600 nm 이하, 약 900 nm 이하, 또는 약 1 μm 이하이다.According to one embodiment, the core-shell nanoparticles can be of any suitable size. The core material may optionally form nanoparticles of dimensions up to about 1 pm, after which a shell material may be formed or deposited thereon. Illustratively, having a dimension of at least about 1 nm, at least about 10 nm, at least about 20 nm, at least about 50 nm, at least about 100 nm, at least about 250 nm, at least about 500 nm, or at least about 800 nm To provide a core material in the form of nanoparticles. In another exemplary embodiment, the core material nanoparticles are about 5 nm or less, about 15 nm or less, about 25 nm or less, about 75 nm or less, about 150 nm or less, about 300 nm or less, about 600 nm or less, about 900 nm or less, or about 1 μm or less.

일 실시예에 따르면, 코어 물질상의 쉘 물질의 두께는 임의의 적절한 두께일 수 있다. 상기 두께는 여기된 상태의 발색층으로부터의 효율적인 순방향 전자 이동에 대한 필요성과 나노 입자에서 산화된 발색층으로의 역 전자 이동을 억제할 필요성의 균형에 의해 결정될 수 있다. 예시적으로, 쉘 물질의 두께는 적어도 약 1 nm, 적어도 약 2 nm, 적어도 약 3 nm, 적어도 약 5 nm, 적어도 약 10 nm, 적어도 약 15 nm, 적어도 약 20 nm, 또는 적어도 약 50nm일 수 있다. 또 다른 예시적으로, 쉘 물질의 두께는 약 1 nm 이하, 약 2 nm 이하, 약 3 nm 이하, 약 5 nm 이하, 약 10 nm 이하, 약 15 nm 이하, 약 20 nm 이하, 또는 약 50 nm 이하일 수 있다.According to one embodiment, the thickness of the shell material on the core material may be any suitable thickness. The thickness can be determined by balancing the need for efficient forward electron transfer from the excited chromophore layer with the need to suppress reverse electron transfer from the nanoparticles to the oxidized chromophore layer. Illustratively, the thickness of the shell material may be at least about 1 nm, at least about 2 nm, at least about 3 nm, at least about 5 nm, at least about 10 nm, at least about 15 nm, at least about 20 nm, or at least about 50 nm. have. In another example, the thickness of the shell material is about 1 nm or less, about 2 nm or less, about 3 nm or less, about 5 nm or less, about 10 nm or less, about 15 nm or less, about 20 nm or less, or about 50 nm or less. may be below.

일 실시예에 따르면, 기판 상의 코어-쉘 나노 입자층의 두께는 임의의 적절한 두께일 수 있다. 예시적으로, 코어-쉘 나노 입자 층의 두께는 약 0.5 μm 이하, 약 1 μm 이하, 약 2 μm 이하, 약 5 μm 이하, 약 10 μm 이하, 약 20 μm 이하, 약 50 μm 이하, 약 100 μm 이하, 또는 약 1000 μm 이하일 수 있다. 또 다른 예시적으로, 코어-쉘 나노 입자 층의 두께는 약 0.5 μm 이상, 약 1 μm 이상, 약 2 μm 이상, 약 5 μm 이상, 약 10 μm 이상, 약 20 μm 이상, 약 50 μm 이상, 약 100 μm 이상, 또는 약 1000 μm 이상일 수 있다.According to one embodiment, the thickness of the core-shell nanoparticle layer on the substrate may be any suitable thickness. Illustratively, the thickness of the core-shell nanoparticle layer is about 0.5 μm or less, about 1 μm or less, about 2 μm or less, about 5 μm or less, about 10 μm or less, about 20 μm or less, about 50 μm or less, about 100 μm or less, or about 1000 μm or less. In another exemplary embodiment, the thickness of the core-shell nanoparticle layer is about 0.5 μm or more, about 1 μm or more, about 2 μm or more, about 5 μm or more, about 10 μm or more, about 20 μm or more, about 50 μm or more, at least about 100 μm, or at least about 1000 μm.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층의 분자 조립체의 광안정성 및 로딩 비율 의존성을 비교 도시한 도면으로, 도 5(a)는 완전-로드된(full-loaded) 샘플에서 부분적으로 로드된(partially loading) 샘플보다 안정성이 우수함을 나타내며, 도 5(b)는 다양한 pH에서 완전-로드된 샘플의 안정성을 나타내며, 도 5(c)는 완전-로드된 샘플에서의 자기-보호(self-protecting) 효과로 인한 견고성 및 안정성을 보여준다. 즉, 광안정성이 향상되면서, 유기 염료가 반도체 산화금속 표면을 안정화시켜 탈착이 일어나는 것을 예방하는 역할을 한다.FIG. 5 is a view showing a comparison of photostability and loading ratio dependence of a multilayer molecular assembly according to an embodiment of the present invention. It shows better stability than the partially loaded sample, Figure 5 (b) shows the stability of the fully-loaded sample at various pH, and Figure 5 (c) is the self-protection (self- It shows the robustness and stability due to the protecting) effect. That is, while the photostability is improved, the organic dye serves to prevent desorption by stabilizing the surface of the semiconductor metal oxide.

(실시예)(Example)

FTO|TiOFTO|TiO 22 -terthiop-Ru(thiop)-terthiop-Ru(thiop)

terthiop (유기 염료) 물질을 MeOH에 용해시킨 후 FTO|TiO2 전극을 5시간 동안 담궈 전극 표면에 로딩시킨다. 유기 염료가 로딩된 전극에 Ru(thiop) 물질을 전기 산화 중합 반응시킨다.After dissolving the terthiop (organic dye) material in MeOH, the FTO|TiO 2 electrode was immersed for 5 hours and loaded onto the electrode surface. An electrooxidative polymerization reaction of a Ru (thiop) material is performed on the organic dye-loaded electrode.

전기산화중합 electrooxidative polymerization

1000μM Ru 염료 화합물에 0.1M TBAP를 ACN에 용해시켜 세 개의 전극(Reference Electrode : S.C.E / Working Electrode : FTO|TiO2 / Counter Electrode : Pt)을 가지고 실험을 진행, 1.1V조건에서 유기 염료와 금속 염료를 조립하였다. Dissolve 0.1M TBAP in 1000μM Ru dye compound in ACN and proceed with the experiment with three electrodes (Reference Electrode: SCE / Working Electrode: FTO|TiO 2 / Counter Electrode: Pt). was assembled.

전기환원중합 Electric reduction polymerization

1000μM Ru 촉매 화합물에 0.1M TBAP를 ACN에 용해시켜 세 개의 전극(Reference Electrode : S.C.E / Working Electrode : FTO|TiO2-Ru Dye / Counter Electrode : Pt)을 가지고 실험을 진행, -0.9V조건에서 금속 염료와 금속 촉매를 조립하였다.By dissolving 0.1M TBAP in 1000μM Ru catalyst compound in ACN, the experiment was carried out with three electrodes (Reference Electrode: SCE / Working Electrode: FTO|TiO 2- Ru Dye / Counter Electrode: Pt). The dye and the metal catalyst were assembled.

(비교예)(Comparative example)

FTO|TiOFTO|TiO 22 -RuP-RuP

RuP ([Ru(bpy)2(4,4

Figure 112020122030149-pat00005
-(PO3H2)2bpy)](Cl)2) 물질을 증류수에 용해시킨 후 FTO|TiO2 전극을 5시간 동안 담궈 전극 표면에 로딩시킨다.RuP ([Ru(bpy)2(4,4)
Figure 112020122030149-pat00005
-(PO 3 H 2 )2bpy)](Cl) 2 ) After dissolving the material in distilled water, the FTO|TiO 2 electrode is immersed for 5 hours and loaded on the electrode surface.

(실험예)(Experimental example)

FTO|TiOFTO|TiO 22 -RuP 와 FTO|TiO-RuP and FTO|TiO 22 -terthiop-Ru(thiop)의 광전류 비교Comparison of photocurrent of -terthiop-Ru(thiop)

도 7을 참조하면, 30 초의 빛 온/오프 주기를 갖는 광전류가 SCE 전극 기준 0.1V 바이어스로 적용되었다(pH 1: 0.1M HClO4, pH 7,12: 0.1M Na3PO4/HCl + 0.4M NaClO4).Referring to FIG. 7 , a photocurrent having a light on/off period of 30 seconds was applied with a 0.1V bias based on the SCE electrode (pH 1: 0.1M HClO 4 , pH 7,12: 0.1M Na 3 PO 4 /HCl + 0.4 M NaClO 4 ).

도 7의 pH 1, 7 및 12에서의 광전류 그래프를 참조하면, 표면의 안정성은 RuP 보다 일 실시예에 따른 Ru dye가 큼을 알 수 있다.Referring to the photocurrent graphs at pH 1, 7, and 12 of FIG. 7 , it can be seen that the Ru dye according to an embodiment has greater surface stability than RuP.

FTO|TiOFTO|TiO 22 -RuP 와 FTO|TiO-RuP and FTO|TiO 22 -terthiop-Ru(thiop)의 광안정성 비교Comparison of photostability of -terthiop-Ru(thiop)

광안정성 비교를 위해, 광전류의 변화반응(photocurrent response)을 통하여 특정하였다. 60~900 초의 주기를 갖는 광전류가 0.4M NaClO4, pH 7의 0.1M 포스페이트 버퍼에서 SCE 전극 기준 0.1V 바이어스로 적용되었다.For photostability comparison, it was specified through photocurrent response. A photocurrent with a period of 60-900 sec was applied with 0.1V bias relative to the SCE electrode in 0.4M NaClO 4 , 0.1M phosphate buffer at pH 7.

도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 FTO|TiO2-terthiop-Ru(thiop)의 광안정성이 FTO|TiO2-RuP에 비하여 우수함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8 , it can be seen that the photostability of FTO|TiO 2 -terthiop-Ru(thiop) according to an embodiment is superior to that of FTO|TiO 2 -RuP.

FTO|TiOFTO|TiO 22 -RuP, FTO|TiO-RuP, FTO|TiO 22 -terthiop-Ru(thiop), FTO|TiO-terthiop-Ru(thiop), FTO|TiO 22 -terthiop-Ru(thiop)-Ru 촉매의 광전류 비교Comparison of photocurrents of -terthiop-Ru(thiop)-Ru catalysts

도 9를 참조하면, 30 초의 빛 온/오프 주기를 갖는 광전류가 SCE 전극 기준 0.1V 바이어스로 적용되었다(pH 1: 0.1M HClO4, pH 7,12: 0.1M Na3PO4/HCl + 0.4M NaClO4).Referring to FIG. 9 , a photocurrent having a light on/off period of 30 seconds was applied with a 0.1V bias based on the SCE electrode (pH 1: 0.1M HClO 4 , pH 7,12: 0.1M Na 3 PO 4 /HCl + 0.4 M NaClO 4 ).

도 9의 pH 1, 7 및 12에서의 광전류 그래프를 참조하면, 표면의 안정성은 RuP 보다 일 실시예에 따른 terthiop-조립체가 큼을 알 수 있다. Referring to the photocurrent graphs at pH 1, 7 and 12 in FIG. 9 , it can be seen that the terthiop-assembly according to an embodiment has greater surface stability than RuP.

광전기분해실험photoelectrolysis experiment

도 10(a)을 참조하면, SCE 전극 기준 0.2V 바이어스로 60-900s의 빛 하에서 전류-시간 추적하였다. 도 10(b)을 참조하면, 전극의 SCE (용존 O2 감지)에 대해 -0.85V로 바이어스된 광애노드에서 1mm 떨어진 FTO 콜렉터 전극에서의 전류 시간 응답을 측정하였다. 일 실시예에 따른 FTO|TiO2-terthiop-Ru(thiop)이 광애노드에 적용되었다.Referring to FIG. 10( a ), current-time tracking was performed under the light of 60-900s with 0.2V bias based on the SCE electrode. Referring to FIG. 10( b ), the current-time response in the FTO collector electrode 1 mm away from the photoanode biased to −0.85 V with respect to the SCE (dissolved O 2 sensing) of the electrode was measured. FTO|TiO 2 -terthiop-Ru(thiop) according to an embodiment was applied to the photoanode.

광전기분해실험결과, 일 실시예에 따른 다층 분자 조립체를 포함하는 전기화학소자는 75%의 높은 패러데이 효율로 Collector-Generator 전지에서 산소의 생성을 확인할 수 있었다.As a result of the photoelectrolysis experiment, it was confirmed that the electrochemical device including the multilayer molecular assembly according to an embodiment generates oxygen in the Collector-Generator battery with a high Faraday efficiency of 75%.

이상, 본 명세서에 개시된 기술을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.In the above, the technology disclosed in the present specification has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the technical spirit of the present invention is not limited to the above embodiments, and those of ordinary skill in the art within the scope of the technical spirit of the present invention Various modifications and changes are possible by the person.

Claims (11)

금속 산화물 상에 형성되며 유기물로 구성되는 보호층;
상기 보호층과 제 1 전기화학 중합된 발색층; 및
상기 발색층과 전자 이동 연통하며, 상기 발색층과 제 2 전기화학 중합된 촉매층을 포함하고,
상기 제 1 전기화학 중합은 전기 산화 중합(Oxidation Eletropolymerization)이고,
상기 제 2 전기화학 중합은 전기 환원 중합(Reduction Eletropolymerization)인 것을 특징으로 하는, 다층 분자 조립체.
a protective layer formed on a metal oxide and made of an organic material;
The protective layer and the first electrochemically polymerized color development layer; and
It is in electron transfer communication with the color development layer, and includes a catalyst layer that is electrochemically polymerized with the color development layer,
The first electrochemical polymerization is an electro-oxidation polymerization (Oxidation Eletropolymerization),
The second electrochemical polymerization is a multilayer molecular assembly, characterized in that the reduction polymerization (Reduction Eletropolymerization).
제 1 항에 있어서,
상기 금속 산화물은 쉘 물질에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 코어 물질을 포함하는 코어-쉘 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다층 분자 조립체.
The method of claim 1,
wherein the metal oxide comprises core-shell nanoparticles comprising a core material surrounded at least partially by a shell material.
제 2 항에 있어서,
상기 금속 산화물은, 주석 도핑된 인듐 산화물(ITO), 불소 도핑된 주석 산화물(FTO), 안티몬 주석 산화물(ATO), 갈륨 아연 산화물(GZO), 인듐 아연 산화물(IZO), 구리 알루미늄 산화물(CAO), 불소 도핑된 산화 아연(FZO), 산화 아연 알루미늄(AZO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다층 분자 조립체.
3. The method of claim 2,
The metal oxide is tin-doped indium oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), antimony tin oxide (ATO), gallium zinc oxide (GZO), indium zinc oxide (IZO), copper aluminum oxide (CAO) , Multilayer molecular assembly comprising at least one selected from the group consisting of fluorine-doped zinc oxide (FZO), zinc aluminum oxide (AZO), and combinations thereof.
제 2 항에 있어서,
상기 코어 물질은 SnO2, 쉘 물질은 TiO2인 것을 특징으로 하는, 다층 분자 조립체.
3. The method of claim 2,
The core material is SnO 2 , and the shell material is TiO 2 , characterized in that the multilayer molecular assembly.
제 1 항에 있어서,
상기 유기물은 피롤(Pyrrole), 바이피롤(Bipyrrole), 터피롤(Terpyrrol), 싸이오펜(Thiophen), 바이싸이오펜(Bithiophen), 터싸이오펜(Terthiophene), 아줄렌(Azulene), 피렌(Pyrene) 및 카바졸(Carbazole)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다층 분자 조립체.
The method of claim 1,
The organic material is pyrrole, bipyrrole, terpyrrol, thiophene, bithiophene, terthiophene, azulene, pyrene. and carbazole (Carbazole), characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of, a multilayer molecular assembly.
제 1 항에 있어서,
상기 발색층은 금속-리간드 배위 착물을 포함하고,
상기 금속은 규소(Si), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 탈륨(Tl), 오스뮴(Os), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 마그네슘(Mg) 및 루테늄(Ru)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하고,
상기 리간드는 하기 화학식 1로 표시되는 바이-피리딘 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 다층 분자 조립체:
[화학식 1]
Figure 112020122030149-pat00006

여기서, R1 및 R2는 서로 독립적으로 수소(H), 할로겐, 카르복시기, 술폰산기, 싸이오펜기, 피롤기, 아마이드기, 에스테르기, 아세틸기, 실록산기, 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기, 탄소수 1 내지 10의 알콕시기, 탄소수 1 내지 10의 옥시알킬렌기, 탄소수 1 내지 10의 불소화알킬기 및 탄소수 4 내지 20의 아릴알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함한다.
The method of claim 1,
The chromophoric layer comprises a metal-ligand coordination complex,
The metal is silicon (Si), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), thallium (Tl), osmium (Os), copper (Cu), iridium (Ir), iron (Fe), cobalt ( Co), nickel (Ni), manganese (Mn), magnesium (Mg) and contains at least one selected from the group consisting of ruthenium (Ru),
The ligand is a multilayer molecular assembly, characterized in that it comprises a bi-pyridine compound represented by the following formula (1):
[Formula 1]
Figure 112020122030149-pat00006

Here, R 1 and R 2 are each independently hydrogen (H), halogen, carboxyl group, sulfonic acid group, thiophene group, pyrrole group, amide group, ester group, acetyl group, siloxane group, alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, carbon number At least one selected from the group consisting of an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, an oxyalkylene group having 1 to 10 carbon atoms, a fluorinated alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and an arylalkyl group having 4 to 20 carbon atoms. do.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매층은 하기 화학식2로 표시되는 화합물, 이의 염 또는 이의 유도체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다층 분자 조립체:
[화학식 2]
Ru(2,2′-bipyridine-6,6′-dicarboxylate)(R3)(R4)
여기서, R3 및 R4는 서로 독립적으로 피리딘, 4-비닐 피리딘, 피리딘-4-일 메틸 포스폰산, 이소 퀴놀린로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함한다.
The method of claim 1,
The catalyst layer is a multilayer molecular assembly, characterized in that it comprises a compound represented by the following formula (2), a salt thereof, or a derivative thereof:
[Formula 2]
Ru(2,2′-bipyridine-6,6′-dicarboxylate)(R 3 )(R 4 )
Here, R 3 and R 4 each independently include at least one selected from the group consisting of pyridine, 4-vinyl pyridine, pyridin-4-yl methyl phosphonic acid, and isoquinoline.
상대 전극;
전해질; 및
전극을 포함하며,
상기 전극은 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 다층 분자 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학소자.
counter electrode;
electrolyte; and
comprising an electrode;
The electrode is characterized in that it comprises the multilayer molecular assembly according to any one of claims 1 to 7, an electrochemical device.
제 8 항에 있어서,
상기 전기화학소자는 염료감응형 광전합성소자(Dye-Sensitized Photoelectrosynthesis Cell, DSPEC)인 것을 특징으로 하는, 전기화학소자.
9. The method of claim 8,
The electrochemical device is a dye-sensitized photoelectrosynthesis cell (Dye-Sensitized Photoelectrosynthesis Cell, DSPEC), characterized in that the electrochemical device.
금속 산화물 표면에 보호층을 고정하는 단계;
상기 보호층과 제 1 전기화학 중합으로 발색층을 결합하는 단계; 및
상기 발색층과 제 2 전기화학 중합으로 촉매층을 결합하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 전기화학 중합은 전기 산화 중합(Oxidation Eletropolymerization)이고,
상기 제 2 전기화학 중합은 전기 환원 중합(Reduction Eletropolymerization)인 것을 특징으로 하는, 다층 분자 조립체의 제조방법.
fixing a protective layer on the metal oxide surface;
bonding the protective layer and the color-developing layer through a first electrochemical polymerization; and
Combining the chromogenic layer and the catalyst layer by a second electrochemical polymerization,
The first electrochemical polymerization is an electro-oxidation polymerization (Oxidation Eletropolymerization),
The second electrochemical polymerization is a method of manufacturing a multilayer molecular assembly, characterized in that the reduction polymerization (Reduction Eletropolymerization).
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