TW201638234A - 光電轉換元件、色素增感太陽電池、釕錯合物色素及色素溶液 - Google Patents

光電轉換元件、色素增感太陽電池、釕錯合物色素及色素溶液 Download PDF

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Abstract

一種光電轉換元件及色素增感太陽電池,所述光電轉換元件中,感光體層包含承載有式(1)所表示的釕錯合物色素的半導體微粒子;式(1)所表示的釕錯合物色素;含有該色素的色素溶液。   RuL1 L2 SCN (1)   L1 表示特定的三聯吡啶配位體,L2 表示下述式(L2)所表示的2牙配位體。□G1 表示式(G1-1)~式(G1-3)的任意者,G2 表示式(G2)。R1 ~R6 及R8 表示氫原子或特定的取代基。R7 表示特定的取代基。m表示1~3的整數,n表示0~2的整數。X表示氧原子、硫原子、NRf 、硒原子、CRf2 或SiRf2 。Rf 表示氫原子、烷基或芳基。*表示鍵結部。

Description

光電轉換元件、色素增感太陽電池、釕錯合物色素及色素溶液
本發明是有關於一種光電轉換元件、色素增感太陽電池、釕錯合物色素及色素溶液。
光電轉換元件用於各種光感測器、影印機、太陽電池等光電化學電池等中。該光電轉換元件已經實用化了使用金屬的方式、使用半導體的方式、使用有機顏料或色素的方式、或將該些方式組合而成的方式等各種各樣的方式。特別是利用非枯竭性的太陽能的太陽電池無需燃料且利用無窮盡的清潔能源,其正式的實用化很受期待。其中,矽系太陽電池自很早之前便進行研究開發,各國亦有政策性的考量而推進普及。但矽是無機材料,於產量(throughput)及成本等的改良方面自然存在侷限。
因此,正儘力地進行色素增感太陽電池的研究。特別是瑞士洛桑工科(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne,EPFL)大學的格雷策爾(Graetzel)等人的研究成果成為其契機。他們採用於多孔氧化鈦膜的表面固定包含釕錯合物的色素的結構,實現與非晶矽同程度的光電轉換效率。因此,即使並不使用昂貴的真空裝置亦可製造的色素增感太陽電池一舉得到世界研究者的關注。 迄今為止,作為色素增感太陽電池中所使用的金屬錯合物色素,開發了一般被稱為N3、N719、N749(亦稱為黑色素(Black Dye))、Z907、J2的色素等。
而且,在專利文獻1中記載了一種金屬錯合物色素,其於包含三聯吡啶配位體、於吡啶環的4位具有噻吩環等芳香族雜環的吡唑基吡啶2牙配位體、單牙配位體的金屬錯合物色素中共存1.0莫耳%以上的異構物。在該文獻中記載了藉由將該金屬錯合物色素用作增感色素,使電池的光電轉換效率與耐久性提高。 而且,在專利文獻2中記載了一種金屬錯合物色素,其於中心金屬上配位有三聯吡啶配位體、特定的吡啶系2牙配位體、與單牙配位體。在該文獻中記載了藉由將該金屬錯合物色素用作增感色素,可提高電池的長波長區域的入射光子-電流轉換效率(Incident Photon to Current Conversion Efficiency,IPCE),而且耐久性亦提高。 [現有技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2014-209578號公報 [專利文獻2]日本專利特開2013-72080號公報
[發明所欲解決之課題]     色素增感太陽電池的實用化要求在設置該些的現場環境中,可穩定地維持光電轉換性能的高度的耐久性。一般情況下,承載於半導體微粒子表面的增感色素存在如下傾向:容易由於水分的影響而脫離,特別是在高濕條件下,光電轉換效率容易降低。因此要求如下的性能:在色素增感太陽電池的實用化時,使耐濕性提高,可穩定地維持初始的光電轉換效率。
本發明的課題在於提供顯示優異的光電轉換效率、且耐濕性亦優異的光電轉換元件,及使用該光電轉換元件的色素增感太陽電池。 而且,本發明的課題在於提供可更高密度地吸附於半導體微粒子表面,可製造顯示出優異的光電轉換效率與高度的耐濕性的光電轉換元件或色素增感太陽電池的釕錯合物色素。而且,本發明的課題在於提供適於形成本發明的光電轉換元件或色素增感太陽電池的感光體層的色素溶液。 [解決課題之手段]
本發明者等人鑒於所述課題而反覆進行了銳意研究,結果發現:在中心釕上配位有特定三聯吡啶配位體、吡啶系2牙配位體、單牙配位體的釕錯合物色素中,藉由在吡啶系2牙配位體中的吡啶環的3位導入特定的取代基,且採用硫氰酸酯(-SCN)作為單牙配位體,可提高色素於半導體微粒子表面的吸附密度,進而藉由將該釕錯合物色素用作增感色素,可提高太陽電池的光電轉換效率、且亦可高度提高耐濕性。本發明是基於該些發現而進一步反覆研究,從而完成者。
亦即,本發明的課題可藉由以下的手段而解決。 <1> 一種光電轉換元件,其是包含導電性支撐體、含有電解質的感光體層、含有電解質的電荷轉移體層、及相對電極的光電轉換元件,感光體層包含承載有下述式(1)所表示的釕錯合物色素的半導體微粒子;   RuL1 L2 SCN (1)   式中,L1 表示下述式(L1)所表示的3牙配位體,L2 表示下述式(L2)所表示的2牙配位體;
[化1]式(L1)
式中,M表示氫離子或陽離子;
[化2]式(L2)
式中,G1 表示下述式(G1-1)~式(G1-3)的任意者所表示的基,G2 表示下述式(G2)所表示的基;
[化3]
式中,R1 ~R6 表示氫原子、烷基、雜芳基、芳基或鹵素原子;*表示與式(L2)中的吡啶環的鍵結部;
[化4]式(G2)
式中,R7 表示烷基、炔基、烯基、烷氧基、烷硫基、胺基、雜芳基或芳基;R8 表示氫原子、烷基、炔基、烯基、烷氧基、烷硫基、胺基、雜芳基或芳基;m表示1~3的整數;n表示0~2的整數;X表示氧原子、硫原子、NRf 、硒原子、CRf 2 或SiRf 2 ;此處,Rf 表示氫原子、烷基或芳基;*表示與式(L2)中的吡啶環的鍵結部。 <2> 如<1>所述的光電轉換元件,其中,於式(G2)中,X是硫原子。 <3> 如<1>或<2>所述的光電轉換元件,其中,於式(L2)中,G1 以式(G1-2)或式(G1-3)而表示。 <4> 如<1>~<3>中任一項所述的光電轉換元件,其中,於式(G1-2)中,R4 是烷基。 <5> 如<1>~<4>中任一項所述的光電轉換元件,其中,於式(G1-2)中,R5 是氫原子。 <6> 一種色素增感太陽電池,其包含如上述<1>~<5>中任一項所述的光電轉換元件。 <7> 一種釕錯合物色素,其以下述式(1)而表示:   RuL1 L2 SCN (1)   式中,L1 表示下述式(L1)所表示的3牙配位體,L2 表示下述式(L2)所表示的2牙配位體;
[化5]式(L1)
式中,M表示氫離子或陽離子;
[化6]式(L2)
式中,G1 表示下述式(G1-1)~式(G1-3)的任意者所表示的基,G2 表示下述式(G2)所表示的基;
[化7]
式中,R1 ~R6 表示氫原子、烷基、雜芳基、芳基或鹵素原子;*表示與式(L2)中的吡啶環的鍵結部;
[化8]式(G2)
式中,R7 表示烷基、炔基、烯基、烷氧基、烷硫基、胺基、雜芳基或芳基;R8 表示氫原子、烷基、炔基、烯基、烷氧基、烷硫基、胺基、雜芳基或芳基;m表示1~3的整數;n表示0~2的整數;X表示氧原子、硫原子、NRf 、硒原子、CRf 2 或SiRf 2 ;此處,Rf 表示氫原子、烷基或芳基;*表示與式(L2)中的吡啶環的鍵結部。 <8> 一種色素溶液,其含有如上述<7>所述的釕錯合物色素。
在本說明書中,關於化合物或錯合物的表示,若無特別的說明,則關於雙鍵,於分子內存在E型及Z型的情況下,而且,關於不對稱碳原子,於分子內存在R體及S體的情況下,可為其任意者,且亦可為該些的混合物。 於以特定的符號或式所表示的取代基、連結基及配位體等(以下稱為取代基等)存在多個時,或同時規定多個取代基等時,若無特別的說明,則各個取代基等可相互相同亦可不同。關於取代基等的個數的規定,亦與此相同。而且,多個取代基等近接時(特別是鄰接時),若無特別的說明,則該些取代基等亦可相互連結而形成環。
而且,環、例如芳香族環或脂肪族環亦可進而縮環而形成縮合環。
在本說明書中,關於化合物(包含錯合物、色素)的表示,用於除了化合物其自身以外,亦包含其鹽、其離子的含義。而且,表示包含在起到目標效果的範圍內使結構的一部分變化而成者。另外,關於並未明確記載經取代或未經取代的化合物,表示在起到目標效果的範圍內,亦可具有任意取代基。關於取代基、連結基及配位體,此方面亦同樣。
而且,在本說明書中,使用「~」而表示的數值範圍表示包含「~」前後所記載的數值作為下限值及上限值的範圍。 [發明的效果]
本發明的光電轉換元件及色素增感太陽電池即使在高濕度的外部環境下,光電轉換效率亦難以降低,顯示出高度的耐濕性。而且,本發明的釕錯合物色素可更高密度地吸附於半導體微粒子表面,可製造顯示出優異的光電轉換效率與高度的耐濕性的光電轉換元件或色素增感太陽電池。而且,本發明的色素溶液可於本發明的光電轉換元件或色素增感太陽電池的感光體層的形成中適宜使用。 本發明的所述及其他特徵及優點可適宜參照附隨的圖式,根據下述記載而變得更明瞭。
[光電轉換元件及色素增感太陽電池] 本發明的光電轉換元件包含導電性支撐體、含有電解質的感光體層、含有電解質的電荷轉移體層、相對電極(對向電極)。在導電性支撐體上順次設有感光體層、電荷轉移體層、相對電極。
於本發明的光電轉換元件中,形成其感光體層的半導體微粒子的至少一部分承載有後述的式(1)所表示的釕錯合物色素作為增感色素。此處,釕錯合物色素承載於半導體微粒子表面的形態包含:吸附於半導體微粒子表面的形態、堆積於半導體微粒子表面的形態、及該些形態混合存在的形態等。吸附包含化學吸附與物理吸附,較佳的是化學吸附。 半導體微粒子亦可與後述的式(I)的釕錯合物色素一併承載其他金屬錯合物色素。
而且,感光體層包含電解質。感光體層中所含的電解質可與電荷轉移體層所包含的電解質為同種,亦可為不同種,較佳的是同種。
本發明的光電轉換元件對於本發明中所規定的構成以外的構成並不特別限定,可採用與光電轉換元件相關的公知的構成。構成本發明的光電轉換元件的所述各層可根據目的而設計,例如可形成為單層,亦可形成為多層。而且,亦可視需要包含所述各層以外的層。
本發明的色素增感太陽電池是使用本發明的光電轉換元件而成。 以下,關於本發明的光電轉換元件及色素增感太陽電池的較佳的實施方式而加以說明。
圖1中所示的系統100是將本發明的第1實施方式的光電轉換元件10應用於藉由外部電路6使動作單元M(例如電動馬達)工作的電池用途中的系統。 光電轉換元件10包含:導電性支撐體1;感光體層2,包含藉由承載色素(釕錯合物色素)21而進行增感的半導體微粒子22、及半導體微粒子22間的電解質;作為電洞傳輸層的電荷轉移體層3;及相對電極4。 於光電轉換元件10中,受光電極5包含導電性支撐體1及感光體層2,作為作用電極而發揮功能。
在應用光電轉換元件10的系統100中,入射至感光體層2的光對釕錯合物色素21進行激發。所激發的釕錯合物色素21具有能量高的電子,該電子自釕錯合物色素21轉移至半導體微粒子22的傳導帶,進一步藉由擴散而到達導電性支撐體1。此時,釕錯合物色素21成為氧化體(陽離子)。到達導電性支撐體1的電子一面藉由外部電路6工作,一面經由相對電極4、電荷轉移體層3而到達釕錯合物色素21的氧化體,對該氧化體進行還原,藉此使系統100作為太陽電池而發揮功能。
圖2中所示的色素增感太陽電池20包含本發明的第2實施方式的光電轉換元件。 成為色素增感太陽電池20的光電轉換元件相對於圖1中所示的光電轉換元件而言,於導電性支撐體41及感光體層42的構成、及包含間隔件S的方面不同,除了該些方面以外,與圖1所示的光電轉換元件10同樣地構成。亦即,導電性支撐體41具有包含基板44、形成於基板44的表面的透明導電膜43的兩層結構。而且,感光體層42具有包含半導體層45、與半導體層45鄰接而成膜的光散射層46的兩層結構。於導電性支撐體41與相對電極48之間設有間隔件S。於色素增感太陽電池20中,40是受光電極,47是電荷轉移體層。
色素增感太陽電池20與應用光電轉換元件10的系統100同樣地藉由使光入射至感光體層42而作為太陽電池發揮功能。
本發明的光電轉換元件及色素增感太陽電池並不限定於所述較佳的實施方式,各實施方式的構成等可以在並不脫離本發明的主旨的範圍內,於各實施方式間適宜組合。
於本發明中,光電轉換元件或色素增感太陽電池中所使用的材料及各構件可藉由常用方法而製備。例如可參照美國專利第4,927,721號說明書、美國專利第4,684,537號說明書、美國專利第5,084,365號說明書、美國專利第5,350,644號說明書、美國專利第5,463,057號說明書、美國專利第5,525,440號說明書、日本專利特開平7-249790號公報、日本專利特開2001-185244號公報、日本專利特開2001-210390號公報、日本專利特開2003-217688號公報、日本專利特開2004-220974號公報、日本專利特開2008-135197號公報。
<釕錯合物色素> -式(1)所表示的釕錯合物色素- 本發明的釕錯合物色素以下述式(1)而表示。
RuL1 L2 SCN   (1)
式中,L1 表示下述式(L1)所表示的3牙配位體,L2 表示下述式(L2)所表示的2牙配位體。SCN是藉由硫原子而配位於釕上的硫氰酸酯基。 以下,關於各配位體L1 及配位體L2 而順次加以說明。
-配位體L1 - 配位體L1 以下述式(L1)而表示。
[化9]式(L1)
式中,M表示氫離子或陽離子。 作為M可採用的陽離子,並無特別限定,例如可列舉下述抗衡離子CI中的正的抗衡離子(氫離子除外)。其中,較佳的是鹼金屬離子或銨離子。
-配位體L2 - 配位體L2 以下述式(L2)而表示。
[化10]式(L2)
式中,G1 表示下述式(G1-1)~式(G1-3)的任意者所表示的基,G2 表示後述的式(G2)所表示的基。
[化11]
式中,R1 ~R6 表示氫原子、烷基、雜芳基、芳基或鹵素原子。*表示與式(L2)中的吡啶環的鍵結部。
R1 ~R6 中的烷基、雜芳基、芳基及鹵素原子的較佳形態與後述的取代基ZR 中的對應基的較佳形態相同。
可作為R1 ~R6 而採用的烷基更佳的是經拉電子性基取代的烷基,進一步更佳的是經鹵素原子、特別是氟原子取代的烷基。在經鹵素原子取代的烷基中,進行取代的鹵素原子數並無特別限定,為一個以上,較佳的是進行取代之前的烷基所具有的氫原子數以下,更佳為1個~6個,進一步更佳為1個~3個。其中,經鹵素原子取代的烷基較佳的是烷基所具有的所有氫原子被取代的全鹵烷基,更佳為全氟烷基,進一步更佳為三氟甲基。
可作為R1 ~R6 而採用的芳基更佳的是經拉電子性基取代的芳基,進一步更佳的是經鹵素原子、特別是氟原子取代的芳基。在經鹵素原子取代的芳基中,進行取代的鹵素原子數並無特別限定,為一個以上,較佳的是進行取代之前的芳基所具有的氫原子數以下,更佳為2個~5個,進一步更佳為3個~5個。其中,經鹵素原子取代的芳基較佳的是經鹵素原子取代的苯基,例如可列舉2,3,4,5-四氟苯基、2,3,4,5,6-五氟苯基。
R2 、R4 及R6 於所述各基中較佳為烷基、芳基或雜芳基,更佳為經氟原子取代的烷基或經氟原子取代的芳基,進一步更佳的是經氟原子取代的烷基。
R1 較佳為氫原子。 R3 及R5 於所述各基中較佳為氫原子或烷基,更佳為氫原子或碳數1~3的烷基,進一步更佳的是氫原子。
G1 較佳為式(G1-2)或式(G1-3)所表示的基,更佳為式(G1-2)所表示的基。 於式(G1-2)所表示的基中,更佳的是R4 為烷基、且R5 為氫原子,進一步更佳的是R4 為經氟原子取代的烷基、且R5 為氫原子。
G2 是下述式(G2)所表示的基。
[化12]式(G2)
式中,R7 表示烷基、炔基、烯基、烷氧基、烷硫基、胺基、雜芳基或芳基。R8 表示氫原子、烷基、炔基、烯基、烷氧基、烷硫基、胺基、雜芳基或芳基。 m表示1~3的整數。n表示0~2的整數。 X表示氧原子、硫原子、NRf 、硒原子、CRf 2 或SiRf 2 。此處,Rf 表示氫原子、烷基或芳基。*表示與式(L2)中的吡啶環的鍵結部。
可作為R7 、R8 及Rf 而採用的所述各基的較佳形態與後述的取代基ZR 中的對應基的較佳形態相同。
R7 於所述各基中較佳為烷基、烷氧基、烷硫基、胺基、芳基或雜芳基,更佳為烷基、烷氧基、烷硫基、胺基或雜芳基,進一步更佳為烷基、烷氧基或烷硫基。 n較佳為0或1,於R8 為氫原子的情況下更佳為1,於R8 並非氫原子的情況下更佳為0。 在n為2的情況下,兩個R7 亦可相互鍵結而形成環,鄰接的R7 與R8 亦可鍵結而形成環。作為所形成的環,可列舉苯環等芳基環或吡嗪環、吡咯環等雜芳基環;環戊二烯環等並不顯示芳香族性的不飽和烴環;1,4-二噁烷環、2,3-二氫吡嗪環等並不顯示芳香族性的雜環。
R8 於所述各基中較佳為氫原子、烷基、炔基、烯基、烷氧基、烷硫基或胺基,更佳為烷基、炔基、烯基、烷氧基或烷硫基,進一步更佳為烷基、烯基或烷硫基。R8 所可採用的雜芳基並不包含所述式(G2)中的含有X的環。
X較佳為氧原子或硫原子,更佳為硫原子。 m較佳為1或2,更佳為1。 於m為2或3的情況下,鄰接的含有X的環所具有R7 中,其中一個含有X的環所具有的R7 亦可與另一個含有X的環鍵結而形成環,而且鄰接的兩個含有X的環所具有的R7 亦可彼此鍵結而形成環。所形成的環與所述R7 所形成的環同義。
式(G2)所表示的基較佳的是下述式(G2-1a)~式(G2-5a)的任意者所表示的基,較佳的是式(G2-1a)或式(G2-5a)所表示的基,更佳的是式(G2-1a)所表示的基。
[化13]
式(G2-1a)~式(G2-5a)中,R8 、X及m分別與式(G2)中的R8 、X及m同義,較佳的範圍亦相同。R9 表示氫原子、烷基、炔基、烯基、烷氧基、烷硫基、胺基、雜芳基或芳基。可作為R9 而採用的烷基、炔基、烯基、烷氧基、烷硫基、胺基、雜芳基及芳基分別與可作為式(G2)的R7 而採用的烷基、炔基、烯基、烷氧基、烷硫基、胺基、雜芳基及芳基同義,較佳的範圍亦相同。
Z1 表示氮原子或CRa ,較佳為氮原子。 Z2 及Z3 各自獨立地表示氧原子、硫原子、NRb 、CRb 2 、硒原子或SiRb 2 。Z2 較佳為NRb 或CRb 2 ,Z3 較佳為氧原子或硫原子,更佳為氧原子。 Ra 及Rb 表示氫原子或烷基。可作為Ra 及Rb 而採用的烷基的較佳形態與後述的取代基ZR 中的較佳形態相同。
式(1)所表示的釕錯合物色素具有三聯吡啶配位體、包含含氮5員環與吡啶環的2牙配位體(以下簡稱為2牙配位體)、-SCN(硫氰酸酯基)呈八面體地配位於Ru上的3維結構。 如式(1)所示那樣,於2牙配位體中的吡啶環的3位(以吡啶環中的配位於釕上的氮原子為起點,將鍵結於含氮5員環上的碳原子作為2位的情況下,為5位)導入取代基G2 、且採用硫氰酸酯基作為單牙配位體,藉此可使釕錯合物色素於半導體微粒子表面上的吸附量增大。而且,在使用該色素作為增感色素的光電轉換元件或色素增感太陽電池中,能夠以高度的水準實現光電轉換效率與耐濕性的兼顧。如下所示地推斷其理由。 亦即,認為藉由於釕錯合物色素的2牙配位體中的吡啶環的3位導入取代基G2 ,於感光體層中對釕錯合物色素起作用的色素-色素間、色素-添加劑間、半導體微粒子表面-色素間等的相互作用中,半導體微粒子表面-色素間的相互作用相對而言變強。該半導體微粒子表面-色素間的相互作用、與作為單牙配位體的硫氰酸酯基的N原子與半導體微粒子表面的相互作用互相起作用,使於半導體微粒子表面上的吸附量增大。另外硫氰酸酯基的N原子與半導體微粒子表面的相互作用性比較強,因此存在於其附近的取代基G2 被更強地牽引至半導體微粒子表面,可有效地防止水分子接近。
此處,本發明中所使用的式(1)所表示的釕錯合物色素是單牙配位體為硫氰酸酯基:-SCN(藉由S原子配位於釕上),並非異硫氰酸酯基:-NCS(藉由N原子而配位於釕上)。本發明的光電轉換元件中所使用的增感色素亦可包含作為式(1)所表示的釕錯合物色素的鍵結異構物的、具有異硫氰酸酯基作為單牙配位體的釕錯合物色素,但其量以莫耳比計,相對於式(1)所表示的釕錯合物色素100而言較佳為20以下,更佳為10以下,進一步更佳為5以下,特佳為3以下,最佳為2以下。藉由將式(1)所表示的釕錯合物色素的鍵結異構物的含量設為所述範圍內,可更有效地表現出本發明的效果。 另外,在式(1)所表示的釕錯合物色素的M為陽離子的情況下,陽離子的鍵結位置可為三聯吡啶配位體的3個吡啶環的任意者。而且,本發明的光電轉換元件中所使用的式(1)所表示的釕錯合物色素亦可為具有不同陽離子的色素的混合物。
式(1)所表示的釕錯合物色素及所述鍵結異構物可分別在高效液相層析法(HPLC:High Performance Liquid Chromatography)中,根據出現在不同位置(滯留時間)的峰值而確認(鑑定、定量)。具體而言,可基於使用高效液相層析裝置(島津製作所),將測定條件設為管柱:YMC-Pac ODS-AM12S-05-1506WTAM-312、溫度為40℃、檢測波長為254 nm、流速為1.0 mL/min、溶離液為THF(四氫呋喃)/水/TFA(三氟乙酸)=50/50/0.1時所得的各鍵結異構物的峰值的面積比而求出。
在本說明書中,所述式(1)所表示的釕錯合物色素亦包含含有用以中和色素的電荷的抗衡離子(CI)的形態。
在抗衡離子CI為正的抗衡離子的情況下,例如抗衡離子CI是無機或有機的銨離子(例如四烷基銨離子、吡啶鎓離子等)、鏻離子(例如四烷基鏻離子、烷基三苯基鏻離子等)、鹼金屬離子(Li離子、Na離子、K離子等)、鹼土金屬離子、金屬錯合物離子或氫離子。正的抗衡離子較佳的是無機或有機的銨離子(四乙基銨離子、四丁基銨離子等)、氫離子。
在抗衡離子CI為負的抗衡離子的情況下,例如抗衡離子CI可為無機陰離子亦可為有機陰離子。例如可列舉氫氧化物離子、鹵素陰離子(例如氟化物離子、氯化物離子、溴化物離子、碘化物離子等)、經取代或未經取代的烷基羧酸根離子(乙酸根離子、三氟乙酸根離子等)、經取代或未經取代的芳基羧酸根離子(苯甲酸根離子等)、經取代或未經取代的烷基磺酸根離子(甲磺酸根離子、三氟甲磺酸根離子等)、經取代或未經取代的芳基磺酸根離子(例如對甲苯磺酸根離子、對氯苯磺酸根離子等)、芳基二磺酸根離子(例如1,3-苯二磺酸根離子、1,5-萘二磺酸根離子、2,6-萘二磺酸根離子等)、烷基硫酸根離子(例如甲基硫酸根離子等)、硫酸根離子、硫氰酸根離子、過氯酸根離子、四氟硼酸根離子、六氟磷酸鹽離子、苦味酸根離子。另外,電荷均衡抗衡離子亦可使用離子性聚合物或具有與色素為相反的電荷的其他色素,亦可使用金屬錯離子(例如雙苯-1,2-二硫醇鎳(III)等)。負的抗衡離子較佳的是鹵素陰離子、經取代或未經取代的烷基羧酸根離子、經取代或未經取代的烷基磺酸根離子、經取代或未經取代的芳基磺酸根離子、芳基二磺酸根離子、過氯酸根離子、六氟磷酸鹽離子,更佳的是鹵素陰離子、六氟磷酸鹽離子。
所述式(1)所表示的釕錯合物色素例如可藉由如下方法而合成:日本專利特開2013-084594號公報中所記載的方法、日本專利第4298799號公報中所記載的方法、美國專利申請公開第2013/0018189A1、美國專利申請公開第2012/0073660A1、美國專利申請公開第2012/0111410A1及美國專利申請公開第2010/0258175A1號的各說明書中所記載的方法、應用化學國際版(Angew.Chem.Int.Ed.)(2011,50,2054-2058)中所記載的方法、化學通訊(Chem.Commun.)(2014,50,6379-6381)中所記載的方法、該文獻中所列舉的參照文獻中所記載的方法、與太陽電池相關的所述專利文獻、公知的方法、或依據該些方法的方法。
式(1)所表示的釕錯合物色素通常合成為包含異構物的混合物。藉由對該混合物進行純化,可分離式(1)所表示的釕錯合物色素。 特別是關於與式(1)所表示的釕錯合物色素的鍵結異構物的混合物,藉由變更將單牙配位體導入至金屬時的配位體濃度或者加熱溫度或溶劑等,可獲得含有大量式(1)所表示的釕錯合物色素的混合物。
式(1)所表示的釕錯合物色素在溶液中的最大吸收波長較佳為300 nm~900 nm的範圍,更佳為350 nm~850 nm的範圍,特佳為370 nm~800 nm的範圍。而且,較佳的是吸收波長區域覆蓋300 nm~900 nm的全體。
以下表示式(1)所表示的釕錯合物色素的較佳的具體例,但本發明並不限定於這些具體例。在下述具體例的釕錯合物色素包含具有質子解離性基的配位體的情況下,配位體亦可視需要解離而放出質子。
[化14]
[化15]
[化16]
<取代基群組ZR > 本發明中的取代基可列舉選自下述取代基群組ZR 的取代基。 在本說明書中,在僅僅記載為取代基的情況下,參照該取代基群組ZR 。而且,在僅僅記載各個基(例如烷基、芳基等)的情況下,應用該取代基群組ZR 的對應基(例如ZR 中的烷基、芳基等)的較佳範圍、具體例。
取代基群組ZR 中所含的基可列舉下述基、及多個下述基組合而成的基。 烷基(較佳為碳數1~20、更佳為1~12,例如甲基、乙基、異丙基、正丁基、第三丁基、戊基、己基、庚基、辛基、1-乙基戊基、2-乙基己基、苄基、2-乙氧基乙基或三氟甲基)、烯基(較佳為碳數2~20、更佳為2~12,例如乙烯基、烯丙基、丁烯基或油烯基)、炔基(較佳為碳數2~20、更佳為2~12,例如乙炔基、丁炔基、辛炔基或苯基乙炔基)、環烷基(較佳為碳數3~20)、環烯基(較佳為碳數5~20)、芳基(較佳為碳數6~26,例如苯基、1-萘基、4-甲氧基苯基、2-氯苯基、3-甲基苯基、二氟苯基或四氟苯基)、雜環基(較佳為碳數2~20,更佳為具有至少一個氧原子、硫原子、氮原子的5員環或6員環的雜環基。雜環基包含顯示芳香族性的雜芳基及不顯示芳香族性的脂肪族雜環基。雜芳基例如為2-吡啶基、2-噻吩基、2-呋喃基、3-吡啶基、4-吡啶基、2-咪唑基、2-苯并咪唑基、2-噻唑基、2-苯并噻唑基或2-噁唑基)、烷氧基(較佳為碳數1~20、更佳為1~12,例如甲氧基、乙氧基、丙氧基、己氧基、辛氧基或苄氧基)、烯氧基(較佳為碳數2~20、更佳為2~12)、炔氧基(較佳為碳數2~20、更佳為2~12)、環烷氧基(較佳為碳數3~20)、芳氧基(較佳為碳數6~26)、雜環氧基(較佳為碳數2~20)、
烷氧基羰基(較佳為碳數2~20)、環烷氧基羰基(較佳為碳數4~20)、芳氧基羰基(較佳為碳數6~20)、胺基(較佳為碳數0~20,包括烷基胺基、烯基胺基、炔基胺基、環烷基胺基、環烯基胺基、芳基胺基、雜環胺基,例如胺基、N,N-二甲基胺基、N,N-二乙基胺基、N-乙基胺基、N-烯丙基胺基、N-(2-丙炔基)胺基、N-環己基胺基、N-環己烯基胺基、N,N-二苯基胺基、苯胺基、吡啶基胺基、咪唑基胺基、苯并咪唑基胺基、噻唑基胺基、苯并噻唑基胺基或三嗪基胺基)、胺磺醯基(較佳為碳數0~20,較佳為烷基、環烷基或芳基的胺磺醯基)、醯基(較佳為碳數1~20)、醯氧基(較佳為碳數1~20)、胺甲醯基(較佳為碳數1~20,較佳為烷基、環烷基或芳基的胺甲醯基)、
醯基胺基(較佳為碳數1~20)、磺醯胺基(較佳為碳數0~20,較佳為烷基、環烷基或芳基的磺醯胺基)、烷硫基(較佳為碳數1~20、更佳為1~12,例如甲硫基、乙硫基、異丙硫基、戊硫基、己硫基、辛硫基或苄硫基)、環烷硫基(較佳為碳數3~20)、芳硫基(較佳為碳數6~26)、烷基磺醯基、環烷基磺醯基或芳基磺醯基(較佳為碳數1~20)、
矽烷基(較佳為碳數1~20,較佳為經烷基、芳基、烷氧基及芳氧基取代的矽烷基)、矽烷氧基(較佳為碳數1~20,較佳為經烷基、芳基、烷氧基及芳氧基取代的矽烷氧基)、羥基、氰基、硝基、鹵素原子(例如氟原子、氯原子、溴原子或碘原子)。
選自取代基群組ZR 的基更佳為烷基、烯基、環烷基、芳基、雜環基、烷氧基、環烷氧基、芳氧基、烷氧基羰基、環烷氧基羰基、胺基、醯基胺基、氰基或鹵素原子,特佳的是列舉烷基、烯基、雜環基、烷氧基、烷氧基羰基、胺基、醯基胺基或氰基。
於化合物或取代基等含有烷基、烯基等時,該些可為直鏈狀亦可為分支狀,可經取代亦可未經取代。而且,於含有芳基、雜環基等時,該些可為單環亦可縮環,可經取代亦可未經取代。
其次,關於光電轉換元件及色素增感太陽電池的主要構件的較佳的實施方式加以說明。
<導電性支撐體> 導電性支撐體若為具有導電性,且可支撐感光體層2等者,則並無特別限定。導電性支撐體較佳的是藉由具有導電性的材料、例如金屬而形成的導電性支撐體1、或包含玻璃或塑膠的基板44與該基板44的表面所形成的透明導電膜43的導電性支撐體41。
其中,更佳的是在基板44的表面包含金屬氧化物的透明導電膜43的導電性支撐體41。此種導電性支撐體41可藉由如下方式而獲得:在基板44的表面塗佈導電性的金屬氧化物而形成透明導電膜43。作為藉由塑膠而形成的基板44,例如可列舉日本專利特開2001-291534號公報的段落編號0153中所記載的透明聚合物膜。而且,形成基板44的材料除了玻璃及塑膠以外,亦可使用陶瓷(日本專利特開2005-135902號公報)、導電性樹脂(日本專利特開2001-160425號公報)。金屬氧化物較佳的是氧化錫(TO),特佳的是氧化銦-錫(摻錫的氧化銦;ITO)、摻氟的氧化錫(FTO)等摻氟氧化錫。此時的金屬氧化物的塗佈量較佳的是每1 m2 基板44的表面積為0.1 g~100 g。在使用導電性支撐體41的情況下,較佳的是使光自基板44側入射。
導電性支撐體1及導電性支撐體41較佳的是實質上透明。所謂「實質上透明」是表示光(波長為300 nm~1200 nm)的透射率為10%以上,較佳的是50%以上,特佳的是80%以上。 導電性支撐體1及導電性支撐體41的厚度並無特別限定,較佳的是0.05 μm~10 mm,進一步更佳的是0.1 μm~5 mm,特佳的是0.3 μm~4 mm。 在包含透明導電膜43的情況下,透明導電膜43的厚度較佳的是0.01 μm~30 μm,更佳的是0.03 μm~25 μm,特佳的是0.05 μm~20 μm。
導電性支撐體1及導電性支撐體41亦可於表面具有光管理功能。例如可在表面具有日本專利特開2003-123859號公報中所記載的交互積層有高折射膜及低折射率的氧化物膜的抗反射膜,亦可具有日本專利特開2002-260746號公報中所記載的光導功能。 <感光體層> 感光體層若包含承載有所述色素21的半導體微粒子22及電解質,則其他構成並無特別限定。較佳的是列舉所述感光體層2及所述感光體層42。
-半導體微粒子(半導體微粒子所形成的層)- 半導體微粒子22較佳的是金屬的硫屬化合物(chalcogenide)(例如氧化物、硫化物、硒化物等)或具有鈣鈦礦(perovskite)型晶體結構的化合物的微粒子。金屬的硫屬化合物較佳的是列舉鈦、錫、鋅、鎢、鋯、鉿、鍶、銦、鈰、釔、鑭、釩、鈮或鉭的氧化物,硫化鎘,硒化鎘等。具有鈣鈦礦型晶體結構的化合物較佳的是列舉鈦酸鍶、鈦酸鈣等。該些中特佳的是氧化鈦(二氧化鈦)、氧化鋅、氧化錫、氧化鎢。
二氧化鈦的晶體結構可列舉銳鈦礦型、板鈦礦型、或金紅石型,較佳的是銳鈦礦型、板鈦礦型。二氧化鈦奈米管、奈米線、奈米棒可單獨使用,或混合於二氧化鈦微粒子中而使用。
半導體微粒子22的粒徑以平均粒徑(使用將投影面積換算為圓時的直徑)計而言,較佳的是1次粒子為0.001 μm~1 μm、分散物的平均粒徑為0.01 μm~100 μm。將半導體微粒子22塗設於導電性支撐體1或導電性支撐體41上的方法可列舉濕式法、乾式法、其他方法。
半導體微粒子22較佳的是表面積大以便於可吸附多的色素21。例如於將半導體微粒子22塗設於導電性支撐體1或導電性支撐體41上的狀態下,其表面積相對於投影面積而言較佳的是10倍以上,更佳的是100倍以上。其上限並無特別限制,通常為5000倍左右。
半導體微粒子所形成的層的較佳厚度根據光電轉換元件的用途而並不一概而定,典型的是0.1 μm~100 μm。在作為色素增感太陽電池而使用的情況下,更佳的是1 μm~50 μm,進一步更佳的是3 μm~30 μm。
半導體微粒子22較佳的是在塗佈於導電性支撐體1或導電性支撐體41上之後,在100℃~800℃的溫度下進行10分鐘~10小時的煅燒,使粒子彼此密接。在使用玻璃作為導電性支撐體1或基板44的材料的情況下,成膜溫度較佳的是60℃~600℃。
半導體微粒子22在每1 m2 導電性支撐體1或導電性支撐體41的表面積上的塗佈量較佳的是0.5 g~500 g,更佳的是5 g~100 g。
於導電性支撐體1或導電性支撐體41與感光體層2或感光體層42之間,為了防止感光體層2或感光體層42所含的電解質與導電性支撐體1或導電性支撐體41直接接觸所產生的反向電流,較佳的是形成短路防止層。 而且,為了防止受光電極5或受光電極40與相對電極4或相對電極48的接觸,較佳的是使用間隔件S(參照圖2)或分隔件。
-色素- 於光電轉換元件10及色素增感太陽電池20中,使用至少一種所述式(1)所表示的釕錯合物色素作為增感色素。
於本發明中,作為可與式(I)所表示的釕錯合物色素併用的色素,可列舉式(I)所表示的釕錯合物色素以外的Ru錯合物色素、方酸菁(squarylium cyanine)色素、有機色素、卟啉色素、酞菁色素等。
作為可併用的色素,較佳的是式(1)所表示的釕錯合物色素以外的Ru錯合物色素、方酸菁色素、或有機色素。
色素的使用量是總體為每1 m2 導電性支撐體1或導電性支撐體41的表面積上為0.01毫莫耳~100毫莫耳,更佳的是0.1毫莫耳~50毫莫耳,特佳的是0.1毫莫耳~10毫莫耳。而且,色素21的對於半導體微粒子22的吸附量較佳的是相對於1 g半導體微粒子22而言為0.001毫莫耳~1毫莫耳,更佳的是0.1毫莫耳~0.5毫莫耳。藉由設為此種色素量,可充分獲得半導體微粒子22中的增感效果。
在將式(1)所表示的釕錯合物色素與其他色素併用的情況下,式(I)所表示的釕錯合物色素的質量/其他色素的質量比較佳的是95/5~10/90,更佳的是95/5~50/50,進一步更佳的是95/5~60/40,特佳的是95/5~65/35,最佳的是95/5~70/30。
使色素承載於半導體微粒子22上之後,亦可使用胺化合物而對半導體微粒子22的表面進行處理。較佳的胺化合物可列舉吡啶化合物(例如4-第三丁基吡啶、聚乙烯基吡啶)等。該些胺化合物為液體的情況下可直接使用,亦可溶解於有機溶劑中而使用。
-共吸附劑- 於本發明中,較佳的是與式(I)所表示的釕錯合物色素或視需要而併用的色素一同進一步使用共吸附劑。此種共吸附劑較佳的是具有一個以上酸性基(較佳的是羧基或其鹽)的共吸附劑,可列舉脂肪酸或具有類固醇骨架的化合物。 脂肪酸可為飽和脂肪酸亦可為不飽和脂肪酸,例如可列舉丁酸、己酸、辛酸、癸酸、十六酸、十二酸、棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞麻油酸、次亞麻油酸等。 具有類固醇骨架的化合物可列舉膽酸、甘膽酸(glycocholic acid)、鵝去氧膽酸(chenodeoxycholic acid)、豬膽酸(hyocholic acid)、去氧膽酸(deoxycholic acid)、石膽酸(lithocholic acid)、熊去氧膽酸(ursodeoxycholic acid)等。較佳的是膽酸、去氧膽酸、鵝去氧膽酸,更佳的是去氧膽酸。 所述共吸附劑較佳的是日本專利特開2014-82187號公報的段落編號0125~段落編號0129中所記載的式(CA)所表示的共吸附劑,日本專利特開2014-82187號公報的段落編號0125~段落編號0129的記載直接較佳地併入至本說明書中。
所述共吸附劑藉由吸附於半導體微粒子22上而具有如下的效果:抑制釕錯合物色素的不具效率之締合的效果,及防止自半導體微粒子表面向電解質中的氧化還原(redox)系統中之反向電子轉移的效果。共吸附劑的使用量並無特別限定,自有效地表現所述作用的觀點考慮,相對於1莫耳所述釕錯合物色素而言較佳的是1莫耳~200莫耳,更佳的是10莫耳~150莫耳,特佳的是20莫耳~50莫耳。
-光散射層- 於本發明中,光散射層於具有使入射光散射的功能的方面而言,與半導體層不同。 於色素增感太陽電池20中,光散射層46較佳的是含有棒狀或板狀的金屬氧化物微粒子。光散射層46中所使用的金屬氧化物例如可列舉作為形成所述半導體微粒子的化合物而說明的所述金屬的硫屬化合物(氧化物)。在設置光散射層46的情況下,較佳的是光散射層的厚度為感光體層42的厚度的10%~50%。 光散射層46較佳的是日本專利特開2002-289274號公報中所記載的光散射層,日本專利特開2002-289274號公報的記載直接較佳地併入至本說明書中。
<電荷轉移體層> 本發明的光電轉換元件中所使用的電荷轉移體層3及電荷轉移體層47是具有對色素21的氧化體補充電子的功能的層,設於受光電極5或受光電極40與相對電極4或相對電極48之間。 電荷轉移體層3及電荷轉移體層47包含電解質。此處,所謂「電荷轉移體層包含電解質」是表示包含如下兩種形態的含義:電荷轉移體層僅僅含有電解質的形態、及含有電解質與電解質以外的物質的形態。 電荷轉移體層3及電荷轉移體層47可為固體狀、液體狀、凝膠狀或該些混合狀態的任意者。
-電解質- 電解質的例子可列舉:氧化還原對溶解於有機溶劑中而成的液體電解質、含有氧化還原對的熔鹽(molten salt)及將氧化還原對溶解於有機溶劑中而成的液體含浸於聚合物基質中而成的所謂的凝膠電解質等。其中,於光電轉換效率的方面而言,較佳的是液體電解質。
氧化還原對例如可列舉碘與碘化物(較佳的是碘化物鹽、碘化離子性液體,較佳的是碘化鋰、四丁基碘化銨、四丙基碘化銨、碘化甲基丙基咪唑鎓)的組合、烷基紫精(例如甲基紫精氯化物、己基紫精溴化物、苄基紫精四氟硼酸鹽)與其還原體的組合、多羥基苯(例如對苯二酚、萘二酚等)與其氧化體的組合、2價之鐵錯合物與3價之鐵錯合物的組合(例如赤血鹽與黃血鹽的組合)、2價之鈷錯合物與3價之鈷錯合物的組合等。該些中較佳的是碘與碘化物的組合或2價之鈷錯合物與3價之鈷錯合物的組合,特佳的是碘與碘化物的組合。
所述鈷錯合物較佳的是日本專利特開2014-82189號公報的段落編號0144~段落編號0156中所記載的式(CC)所表示的錯合物,日本專利特開2014-82189號公報的段落編號0144~段落編號0156的記載直接較佳地併入至本說明書中。
在電解質使用碘與碘化物的組合的情況下,較佳的是進一步併用5員環或6員環的含氮芳香族陽離子的碘鹽。
液體電解質及凝膠電解質中所使用的有機溶劑並無特別限定,較佳的是非質子性的極性溶劑(例如乙腈、碳酸丙二酯、碳酸乙二酯、二甲基甲醯胺、二甲基亞碸、環丁碸、1,3-二甲基咪唑啶酮、3-甲基噁唑烷酮等)。 特別是液體電解質中所使用的有機溶劑較佳的是腈化合物、醚化合物、酯化合物等,更佳的是腈化合物,特佳的是乙腈、甲氧基丙腈。
熔鹽或凝膠電解質較佳的是日本專利特開2014-139931號公報的段落編號0205及段落編號0208~段落編號0213中所記載的熔鹽或凝膠電解質,日本專利特開2014-139931號公報的段落編號0205及段落編號0208~段落編號0213的記載直接較佳地併入至本說明書中。
電解質除了4-第三丁基吡啶等吡啶化合物以外,亦可含有胺基吡啶化合物、苯并咪唑化合物、胺基三唑化合物及胺基噻唑化合物、咪唑化合物、胺基三嗪化合物、脲化合物、醯胺化合物、嘧啶化合物或不含氮的雜環作為添加物。
而且,為了使光電轉換效率提高,亦可採用控制電解液的水分的方法。作為控制水分的較佳的方法,可列舉控制濃度的方法或使脫水劑共存的方法。較佳的是將電解液的水分含量(含有率)調整為0質量%~0.1質量%。 碘亦可製成碘與環糊精的晶籠化合物而使用。而且,亦可使用環狀脒,亦可加入抗氧化劑、水解抑制劑、分解抑制劑、碘化鋅。
可使用p型半導體或電洞傳輸材料等固體電荷傳輸層,例如CuI、CuNCS等,代替以上的液體電解質及擬固體電解質。而且,亦可使用「自然(Nature)」,第486卷,第487頁(2012)等中所記載的電解質。固體電荷傳輸層亦可使用有機電洞傳輸材料。有機電洞傳輸材料較佳的是日本專利特開2014-139931號公報的段落編號0214中所記載者。
氧化還原對成為電子的載體,因此較佳的是以某種程度的濃度而含有。較佳的濃度是合計為0.01 mol/L以上,更佳的是0.1 mol/L以上,特佳的是0.3 mol/L以上。這種情況下的上限並無特別限制,通常為5 mol/L左右。
<相對電極> 相對電極4及相對電極48較佳的是作為色素增感太陽電池的正極而發揮作用。相對電極4及相對電極48通常亦可設為與所述導電性支撐體1或導電性支撐體41相同的構成,但在充分保持強度的構成中,未必需要基板44。相對電極4及相對電極48的結構較佳的是集電效果高的結構。為了使光到達感光體層2及感光體層42,所述導電性支撐體1或導電性支撐體41與相對電極4或相對電極48的至少一者必須實質上透明。於本發明的色素增感太陽電池中,較佳的是導電性支撐體1或導電性支撐體41透明且使太陽光自導電性支撐體1或導電性支撐體41側入射。在這種情況下,更佳的是相對電極4及相對電極48具有對光進行反射的性質。色素增感太陽電池的相對電極4及相對電極48較佳的是蒸鍍有金屬或導電性氧化物的玻璃或塑膠,特佳的是蒸鍍有鉑的玻璃。在色素增感太陽電池中,為了防止構成物的蒸散,較佳的是藉由聚合物或接著劑等對電池的側面進行密封。
[光電轉換元件及色素增感太陽電池的製造方法] 本發明的光電轉換元件及色素增感太陽電池可使用含有本發明的釕錯合物色素及溶劑的色素溶液(本發明的色素溶液)而製造。
於此種色素溶液中,本發明的釕錯合物色素溶解於溶劑中,亦可視需要含有所述共吸附劑等其他成分。
所使用的溶劑可列舉日本專利特開2001-291534號公報中所記載的溶劑,但並不特別限定於此。於本發明中較佳的是有機溶劑,進一步而言,更佳的是醇溶劑、醯胺溶劑、腈溶劑、酮溶劑、烴溶劑、及該些的兩種以上的混合溶劑。混合溶劑較佳的是醇溶劑與選自醯胺溶劑、腈溶劑、酮溶劑或烴溶劑的溶劑的混合溶劑。進一步更佳的是醇溶劑與醯胺溶劑的混合溶劑、醇溶劑與烴溶劑的混合溶劑、醇溶劑與腈溶劑的混合溶劑,特佳的是醇溶劑與醯胺溶劑的混合溶劑、醇溶劑與腈溶劑的混合溶劑。具體而言較佳的是甲醇、乙醇、丙醇及第三丁醇的至少一種與二甲基甲醯胺、二甲基乙醯胺的至少一種的混合溶劑,甲醇、乙醇、丙醇及第三丁醇的至少一種與乙腈的混合溶劑。
色素溶液較佳的是含有共吸附劑,共吸附劑較佳的是所述共吸附劑。 此處,本發明的色素溶液在製造光電轉換元件或色素增感太陽電池時,為了可直接使用該溶液,較佳的是釕錯合物色素或共吸附劑的濃度得到調整的色素溶液。於本發明中,較佳的是本發明的色素溶液含有0.001質量%~0.1質量%的本發明的釕錯合物色素。共吸附劑的使用量如上所述。
色素溶液較佳的是調整水分含量,於本發明中較佳的是將水分含量調整為0質量%~0.1質量%。
於本發明中,較佳的是使用所述色素溶液,使式(I)所表示的釕錯合物色素或含其的色素承載於半導體微粒子表面,藉此而製作感光體層。亦即,較佳的是在導電性支撐體上所設的半導體微粒子上塗佈(包括浸漬法)所述色素溶液,使其乾燥或硬化而形成感光體層。 於包含如上所述而製作的感光體層的受光電極上進一步設置電荷轉移體層或相對電極等,藉此可獲得本發明的光電轉換元件。
色素增感太陽電池是在如上所述而製作的光電轉換元件的導電性支撐體1及相對電極4上連接外部電路6而製造。
藉由使用本發明的色素溶液,可使在半導體微粒子表面上的吸附量增大,可在所得的光電轉換元件或色素增感太陽電池中以高度的水準而實現光電轉換效率與耐濕性的兼顧。 [實施例]
以下基於實施例而對本發明加以更詳細的說明,但本發明並不限定於此。
實施例1 [釕錯合物色素的製備] 以下表示本發明的釕錯合物色素(D-1)~釕錯合物色素(D-7)與比較例的釕錯合物色素(D-8)及釕錯合物色素(D-9)的結構。
[化17]
(釕錯合物色素(D-6)的合成) 依照以下流程而合成釕錯合物色素(D-6)。下述流程及說明書中的略語的含義如下所示。 Ph         :苯基 THF      :四氫呋喃 Et          :乙基t Bu        :第三丁基 Me        :甲基 DMF      :N,N-二甲基甲醯胺
[化18]
亦即,參考材料化學雜誌(Journal of Materials Chemistry)A(2014,2,17618-17627)及該文獻的電子補充資訊(Electronic supplementary information)中所記載的PRT-21的合成法,如下所述地進行合成。首先,使化合物(6-1)與Ru-三聯吡啶錯合物反應後,藉由矽膠管柱層析法而分離化合物(6-2)。其以後的操作是在化合物(6-3)的合成中,使用DMF與1-戊醇的(體積比為1:1)混合溶劑,在150℃下進行15分鐘的反應,除此以外與PRT-21的合成法同樣地進行,藉此進行合成。根據質量分析及HPLC分析可確認D-6是日本專利特開2013-72080號公報中所記載的Dye3中的鍵結異構物(Dye3的NCS配位體變為SCN配位體的異構物)。根據所述條件中的HPLC測定的結果,未檢測出具有NCS配位體的色素(單牙配位體藉由N原子配位於釕上、NCS體)(亦即,所檢測出的色素均為SCN配位體(單牙配位體藉由S原子而配位於釕上、SCN體))。
釕錯合物色素(D-6) HPLC滯留時間:12.2分鐘 ESI-MS m/z=904.1(M+H+ ) 比較釕錯合物色素(D-6)的鍵結異構物(日本專利特開2013-72080號公報中所記載的Dye3) HPLC滯留時間:15.5分鐘
(釕錯合物色素(D-1)~釕錯合物色素(D-5)及釕錯合物色素(D-7)~釕錯合物色素(D-9)的製備) 與釕錯合物色素(D-6)同樣地進行而製備釕錯合物色素(D-1)~釕錯合物色素(D-5)、釕錯合物色素(D-7)及釕錯合物色素(D-9)。 而且,釕錯合物色素(D-8)(NCS體)是依據美國專利申請公開第2012/0111410號說明書中所記載的方法而合成。
分別藉由質譜(mass spectrum,MS)測定而鑑定所製備的釕錯合物色素(D-1)~釕錯合物色素(D-9)。將其結果匯總表示於下述表1中。另外,進行所述條件的HPLC測定,結果是所製備的色素(D-1)~色素(D-5)、色素(D-7)及色素(D-9)均為SCN體,色素(D-8)為NCS體。
[表1]   表1
[色素增感太陽電池的製造] 使用所述[釕錯合物色素的合成]中所合成的釕錯合物色素(D-1)~釕錯合物色素(D-9),製造圖2中所示的色素增感太陽電池20(5 mm×5 mm的規格(scale))。藉由以下所示的方法而進行該製造。關於所製造的各色素增感太陽電池20,對下述性能進行評價。
(受光電極前驅物的製作) 於玻璃基板(基板44、厚度為4 mm)上形成摻氟的SnO2 導電膜(透明導電膜43、膜厚:500 nm),製作導電性支撐體41。繼而,於該SnO2 導電膜上絲網印刷二氧化鈦糊劑「18NR-T」(戴索爾(DyeSol)公司製造),於120℃下使其乾燥。其次,再次絲網印刷二氧化鈦糊劑「18NR-T」,於120℃下使其乾燥1小時。其後,將乾燥的二氧化鈦糊劑在空氣中、500℃下進行煅燒,形成半導體層45(層厚:10 μm)。進一步於該半導體層45上絲網印刷二氧化鈦糊劑「18NR-AO」(戴索爾(DyeSol)公司製造),於120℃下進行1小時乾燥。其後,在500℃下對乾燥的二氧化鈦糊劑進行煅燒,在半導體層45上形成光散射層46(層厚:5 μm)。 如上所述地進行而在SnO2 導電膜上形成感光體層42(受光面的面積:5 mm×5 mm、層厚:15 μm、未承載釕錯合物色素),製作未承載釕錯合物色素的受光電極前驅物。
(色素吸附) 其次,如下所述地進行而使所述[釕錯合物色素的合成]中所合成的各釕錯合物色素(D-1)~釕錯合物色素(D-9)承載於未承載釕錯合物色素的感光體層42上。首先,以所述釕錯合物色素濃度成為2×10-4 mol/L的方式於第三丁醇與乙腈的1:1(體積比)的混合溶劑中溶解所述釕錯合物色素,進一步於其中加入相對於1莫耳所述所述釕錯合物色素而言為30莫耳的作為共吸附劑的去氧膽酸,製備各色素溶液。其次,於各色素溶液中,將受光電極前驅物在25℃下浸漬20小時,自色素溶液提出後使其乾燥。 如上所述地進行而分別製作於受光電極前驅物上承載有各釕錯合物色素的受光電極40。
(色素增感太陽電池的組裝) 製作具有與所述導電性支撐體41同樣的形狀與大小的鉑電極(Pt薄膜的厚度:100 nm)作為相對電極48。而且,作為電解液,將0.1 M的碘、0.1 M的碘化鋰、0.5 M的4-第三丁基吡啶及0.6 M的1,2-二甲基-3-丙基咪唑鎓碘化物溶解於乙腈中,製備液體電解質。進一步準備具有與感光體層42的大小吻合的形狀的間隔件S「沙林(Surlyn)」(商品名、杜邦公司製造)。 使如上所述而製作的受光電極40的各個與相對電極48經由所述間隔件S對向而熱壓接後,自電解液注入口而於感光體層42與相對電極48之間填充所述液體電解質,形成電荷轉移體層47。使用樹脂XNR-5516(商品名、長瀨化成公司製造)將如上所述而製作的電池的外周及電解液注入口密封,進行硬化而製造各色素增感太陽電電池(試樣編號101~試樣編號107、試樣編號c01、試樣編號02)。
(吸附量的評價) 如下所述地進行而評價吸附量。 與所述(色素吸附)中的色素溶液的製備同樣地進行而製備含有D-1~D-9的色素而成的各色素溶液。在該色素溶液中,將與所述(受光電極前驅物的製作)中的受光電極前驅物的製備同樣地製備的受光電極前驅物在25℃下浸漬20小時而製造受光電極40。將所得的各受光電極40浸於四丁基氫氧化銨的10%甲醇溶液(3 mL)中,藉由扭轉混合機(型號:TM-300、亞速旺(ASONE)公司製造),在溫度為20℃、轉速為45 rpm的條件下進行16小時的振盪,使各受光電極40上所吸附的釕錯合物色素脫離。關於溶解有脫離的釕錯合物色素的四丁基氫氧化銨的10%甲醇溶液,直接測定其紫外-可見吸收光譜,根據預先製成的校準曲線而算出釕錯合物色素對於受光電極40的吸附莫耳量(mmol),將其除以導電性支撐體41的表面積(cm2 )而算出釕錯合物色素對於受光電極40的吸附量(mmol/cm2 )。另外,藉由目視來觀察吸附有色素的氧化鈦膜脫色而變白,由此確認所吸附的釕錯合物色素均由於所述脫離條件而自受光電極40脫離。 將釕錯合物色素(D-8)的吸附量(mmol/cm2 )設為1,求出D-1~D-7及D-9的各色素的吸附量相對於該D-8的吸附量1的相對值,根據下述評價基準而評價各色素在半導體微粒子表面上的吸附量。於下述評價基準中,「A」及「B」是本發明的合格水準。
-評價基準- A:色素吸附量的相對值大於1.1 B:色素吸附量的相對值大於1.0且為1.1以下 C:色素吸附量的相對值大於0.9且為1.0以下 D:色素吸附量的相對值為0.9以下
(耐濕性的評價) 將所述(色素增感太陽電池的組裝)中所製造的電池(試樣編號101~試樣編號107、試樣編號c01及試樣編號c02)分別在溫度為25℃、濕度為85%的暗處保管500小時。對各試樣編號的電池逐一測定保管前的電池的光電轉換效率(Wi )與保管後的電池的光電轉換效率(W500 ),根據下述式算出光電轉換效率的降低率。 光電轉換效率可藉由如下方式而測定:藉由使用太陽光模擬器(solar simulator)(和冠(WACOM)公司製造、商品名「WXS-85H」),自通過AM1.5濾光片的氙氣燈照射1000 W/m2 的模擬太陽光而進行電池特性試驗,使用I-V測試器而測定電流-電壓特性。   光電轉換效率的降低率(%)=100×(Wi -W500 )/Wi 基於光電轉換效率的降低率而評價耐濕性,基於下述評價基準而進行評價。於下述評價基準中,「A」及「B」是本發明的合格水準。
-耐濕性評價基準- A:光電轉換效率的降低率不足8% B:光電轉換效率的降低率為8%以上、不足12% C:光電轉換效率的降低率為12%以上、不足15% D:光電轉換效率的降低率為15%以上
於下述表2中匯總表示所述結果。
另外,將所述各釕錯合物色素(SCN體)作為增感色素的所述各色素增感太陽電池的Wi ,與製備作為各色素的鍵結異構物的NCS體並將其作為增感色素而與所述同樣地製造的各色素增感太陽電池的Wi 相比而言,為同等水準。
[表2]   表2
如表2所示,可知:本發明的釕錯合物色素均是在半導體微粒子表面上的吸附量增大,使用本發明的釕錯合物色素的色素增感太陽電池均是即使在高濕度的環境下保管,光電轉換效率亦難以降低,耐濕性優異,顯示出穩定的電池性能。 相對於此,在使用NCS(異硫氰酸酯基)藉由氮原子進行配位的釕錯合物色素(D-8)的試樣編號c01、及使用具有含氮5員環-吡啶環2牙配位體(所述含氮5員環-吡啶環2牙配位體相對於配位於釕上的氮原子而言在4位具有取代基G2 )的釕錯合物色素(D-9)的試樣編號c02的電池中,均是釕錯合物色素在半導體微粒子表面上的吸附量少,並未獲得充分的耐濕性。
基於該實施方式對本發明加以說明,但我們認為只要沒有特別指定,則在說明的任何細節部分中都不對我們的發明作出限定,應並不違背附隨的申請專利範圍中所示之發明的精神與範圍地廣泛地進行解釋。
本申請案主張基於2015年3月17號於日本提出專利申請之日本專利特願2015-054033的優先權,該些內容均於此進行參照而將其內容作為本說明書的記載的一部分而併入於本說明書。
1、41‧‧‧導電性支撐體
2、42‧‧‧感光體層
3、47‧‧‧電荷轉移體層
4、48‧‧‧相對電極
5、40‧‧‧受光電極
6‧‧‧外部電路
10‧‧‧光電轉換元件
20‧‧‧色素增感太陽電池
21‧‧‧色素
22‧‧‧半導體微粒子
43‧‧‧透明導電膜
44‧‧‧基板
45‧‧‧半導體層
46‧‧‧光散射層
100‧‧‧將光電轉換元件應用於電池用途中的系統
M‧‧‧動作單元(例如電動馬達)
S‧‧‧間隔件
圖1是在將本發明的第1實施方式的光電轉換元件應用於電池用途中的系統中,包含層中的圓部分的放大圖在內而示意性地對其進行表示的剖面圖。 圖2是示意性地表示包含本發明的第2實施方式的光電轉換元件的色素增感太陽電池的剖面圖。
1‧‧‧導電性支撐體
2‧‧‧感光體層
3‧‧‧電荷轉移體層
4‧‧‧相對電極
5‧‧‧受光電極
6‧‧‧外部電路
10‧‧‧光電轉換元件
21‧‧‧色素
22‧‧‧半導體微粒子
100‧‧‧將光電轉換元件應用於電池用途中的系統
M‧‧‧動作單元(例如電動馬達)

Claims (8)

  1. 一種光電轉換元件,其是包含導電性支撐體、含有電解質的感光體層、含有電解質的電荷轉移體層、及相對電極的光電轉換元件,所述感光體層含有承載有下述式(1)所表示的釕錯合物色素的半導體微粒子;   RuL1 L2 SCN (1)   式中,L1 表示下述式(L1)所表示的3牙配位體,L2 表示下述式(L2)所表示的2牙配位體;式(L1)   式中,M分別獨立地表示氫離子或陽離子;式(L2) 式中,G1 表示下述式(G1-1)~式(G1-3)的任意者所表示的基,G2 表示下述式(G2)所表示的基;式中,R1 ~R6 各自獨立地表示氫原子、烷基、雜芳基、芳基或鹵素原子;*表示與式(L2)中的吡啶環的鍵結部;式(G2)   式中,R7 表示烷基、炔基、烯基、烷氧基、烷硫基、胺基、雜芳基或芳基;R8 表示氫原子、烷基、炔基、烯基、烷氧基、烷硫基、胺基、雜芳基或芳基;m表示1~3的整數;n表示0~2的整數;X表示氧原子、硫原子、NRf 、硒原子、CRf 2 或SiRf 2 ;此處,Rf 表示氫原子、烷基或芳基;*表示與式(L2)中的吡啶環的鍵結部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光電轉換元件,其中,於所述式(G2)中,X是硫原子。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的光電轉換元件,其中,於所述式(L2)中,G1 以式(G1-2)或式(G1-3)而表示。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的光電轉換元件,其中,於所述式(G1-2)中,R4 是烷基。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的光電轉換元件,其中,於所述式(G1-2)中,R5 是氫原子。
  6. 一種色素增感太陽電池,其包含如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的光電轉換元件。
  7. 一種釕錯合物色素,其以下述式(1)而表示:   RuL1 L2 SCN (1)   式中,L1 表示下述式(L1)所表示的3牙配位體,L2 表示下述式(L2)所表示的2牙配位體;式(L1)   式中,M分別獨立地表示氫離子或陽離子;式(L2)   式中,G1 表示下述式(G1-1)~式(G1-3)的任意者所表示的基,G2 表示下述式(G2)所表示的基;式中,R1 ~R6 各自獨立地表示氫原子、烷基、雜芳基、芳基或鹵素原子;*表示與式(L2)中的吡啶環的鍵結部;式(G2)   式中,R7 表示烷基、炔基、烯基、烷氧基、烷硫基、胺基、雜芳基或芳基;R8 表示氫原子、烷基、炔基、烯基、烷氧基、烷硫基、胺基、雜芳基或芳基;m表示1~3的整數;n表示0~2的整數;X表示氧原子、硫原子、NRf 、硒原子、CRf 2 或SiRf 2 ;此處,Rf 表示氫原子、烷基或芳基;*表示與式(L2)中的吡啶環的鍵結部。
  8. 一種色素溶液,其含有如申請專利範圍第7項所述的釕錯合物色素。
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