KR20050024344A - Coloring matter sensitization type photoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 태양광을 이용하여 발전을 행하는 색소증감형 광전변환장치로서, 하기 일반식 (1)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체로 이루어진 증감색소를 담지시켜 이루어진 반도체층과, 전해질층을 구비한다.The present invention provides a dye-sensitized photoelectric conversion device that generates power using sunlight, comprising a semiconductor layer formed by supporting a sensitizing dye comprising an acid group-containing porphyrin multimer represented by the following general formula (1), and an electrolyte layer: do.
일반식 (1):General formula (1):
(단, 상기 일반식 (1)에 있어서, R1∼R18은 수소 원자, 할로겐 원자 등의 치환기로서 그것의 적어도 1개는 4-카르복시페닐기 등의 산성 치환기이다.)(However, in the general formula (1), R 1 to R 18 are substituents such as a hydrogen atom and a halogen atom and at least one of them is an acidic substituent such as a 4-carboxyphenyl group.)
Description
본 발명은, 색소증감형 광전변환장치에 관한 것이다.The present invention relates to a dye-sensitized photoelectric conversion device.
본 출원은, 일본에서 2002년 7월 2일에 출원된 일본 특허출원번호 2002-193154를 기초로 하여 우선권을 주장하는 것으로, 이 출원은 참조하는 것에 의해, 본 출원에 원용된다.This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2002-193154 for which it applied on July 2, 2002 in Japan, This application is integrated in this application by reference.
종래, 화석연료를 대신하는 에너지원으로서, 태양광을 이용하는 다양한 태양전지가 개발되어 있다. 종래, 가장 널리 사용되며, 다수 시판되고 있는 태양전지로서, 실리콘을 사용한 것이 있다. 실리콘을 사용한 태양전지에는, 대별하여 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘을 사용한 결정 실리콘계 태양전지와, 비정질(아모퍼스) 실리콘계 태양전지가 있다.Conventionally, various solar cells using sunlight have been developed as energy sources instead of fossil fuels. Conventionally, the most widely used and commercially available solar cells include silicon. Examples of solar cells using silicon include crystalline silicon solar cells using monocrystalline silicon or polycrystalline silicon, and amorphous (amorphous) silicon solar cells.
특히, 태양전지로서는, 단결정 또는 다결정의 실리콘이 많이 사용되어 왔다.In particular, as the solar cell, a large amount of single crystal or polycrystalline silicon has been used.
이들 결정 실리콘계 태양전지는, 빛(태양) 에너지를 전기 에너지로 변환하는 성능을 나타내는 변환효율이, 아모퍼스 실리콘에 비해 높지만, 결정의 성장에 많은 에너지와 시간을 필요로 하기 때문에 생산성이 낮아, 비용면에서 불리하였다.These crystalline silicon solar cells have higher conversion efficiency than the amorphous silicon, which shows the performance of converting light (solar) energy into electrical energy, but are low in productivity because they require a lot of energy and time for crystal growth. It was disadvantageous in terms.
또한, 아모퍼스 실리콘계 태양전지는, 변환효율이 결정 실리콘계 태양전지보다 낮지만, 결정 실리콘계 태양전지와 비교하여 광흡수성이 높고, 기판의 선택 범위가 넓으며, 대면적화가 용이하다는 것 등의 특징이 있다. 그러나, 생산성은 결정 실리콘계 태양전지에 비해 높지만, 진공 프로세스가 필요하기 때문에, 에너지 부담은 아직도 크다.In addition, the amorphous silicon solar cell has a lower conversion efficiency than the crystalline silicon solar cell, but has higher light absorbency, a wider selection range of the substrate, and easier large area than the crystalline silicon solar cell. have. However, although the productivity is higher than that of the crystalline silicon solar cell, the energy burden is still large because a vacuum process is required.
이들 태양전지는, 갈륨, 비소, 실란 가스 등의 독성이 높은 재료를 사용하기 때문에, 환경오염 면에서도 문제가 있다.Since these solar cells use materials with high toxicity, such as gallium, arsenic, and silane gas, they also have a problem in environmental pollution.
한편, 전술한 것과 같은 문제를 해결하는 수단으로서, 유기재료를 사용한 태양전지도 오래 검토되어 왔지만, 대부분은, 광전변환효율이 1% 정도로 낮아, 실용화에는 이르지 않았다.On the other hand, solar cells using organic materials have been studied for a long time as a means of solving the above-mentioned problems, but most of them have low photoelectric conversion efficiency of about 1% and have not been put to practical use.
그 중에서, Nature Vol.353 , p737, 1991년에서 발표된 색소증감형 태양전지는, 현재까지 10%라고 하는 높은 광전변환효율이 실현가능한 것이 제시되고 있고, 또한, 저렴하게 제조할 수 있다고 생각되기 때문에 주목받고 있다.Among them, the dye-sensitized solar cell disclosed in Nature Vol.353, p737, 1991 has been proposed to realize a high photoelectric conversion efficiency of 10% so far, and is thought to be inexpensive to manufacture. It is attracting attention.
이 색소증감형 태양전지는, 현재까지 루테늄비피리딘 착체 이외에, 클로로필 유도체나 포르피린의 아연 착체 등이 색소로서 제안되고 있다(일본 특허공개 2002-63949호 공보 참조). 이들 색소는, 광전변환특성이 낮기 때문에, 태양전지로서 실용적으로 이바지하기에는, 만족할 수 있는 것은 아니었다.In addition to the ruthenium bipyridine complex, this dye-sensitized solar cell has been proposed as a pigment as a chlorophyll derivative, a zinc complex of porphyrin, and the like (see Japanese Patent Laid-Open No. 2002-63949). Since these pigment | dyes have low photoelectric conversion characteristics, they were not satisfactory for practical use as a solar cell.
이것들의 광전변환특성이 낮은 이유로서, 색소의 가시광선 영역에서의 흡수가 낮은 것을 들 수 있다. 아연 포르피린의 모노머, 클로로필 유도체, 루테늄비피리딘 착체 등의 기존의 색소에서는 가시광선 영역의 흡광도가 작다, 최근에, 가시광선 영역에서 큰 흡수를 갖는 안정한 색소가 오오수가 등에 의해 개발되고는 있다(Science Vol.293, p79, 2001년, 일본 특허공개 2001-294591호 공보, 일본 특허공개 2002-5357B호 공보 참조).The reason why these photoelectric conversion characteristics are low is that the absorption in the visible light region of the dye is low. Existing pigments, such as monomers of zinc porphyrin, chlorophyll derivatives, ruthenium bipyridine complexes, have low absorbance in the visible region. Recently, stable pigments having a large absorption in the visible region have been developed by sewage water or the like (Science). Vol. 293, p79, 2001, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-294591, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-5357B).
전술한 것과 같은, 종래의 색소증감형 태양전지에서는, 태양광 에너지의 태반을 차지하는 가시광선 영역(400∼800nm)에 있어서의 증감효과가 낮고, 안정성 면에서도 문제가 있기 때문에, 실용화가 곤란하다.In the conventional dye-sensitized solar cell as described above, the sensitization effect in the visible light region (400 to 800 nm) occupying the placenta of the solar energy is low, and there is a problem in terms of stability, so that practical use is difficult.
(발명의 개시)(Initiation of invention)
본 발명의 목적은, 전술한 것과 같은 종래의 색소증감형 태양전지가 갖는 문제점을 해소할 수 있는 신규한 색소증감형 광전변환장치를 제공함에 있다.An object of the present invention is to provide a novel dye-sensitized photoelectric conversion apparatus capable of solving the problems of the conventional dye-sensitized solar cell as described above.
본 발명의 또 다른 목적은, 높은 광변환효율을 갖고, 저렴하며 내구성이 우수한 색소증감형 광전변환장치를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a dye-sensitized photoelectric conversion device having high light conversion efficiency, low cost and excellent durability.
본 발명에 관한 색소증감형 광전변환장치는, 대향전극 사이에, 하기의 일반식 (1)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체를 기재 골격으로 하는 증감색소를 담지시켜 이루어진 반도체층과, 전해질층이 설치되어 있다.The dye-sensitized photoelectric conversion device according to the present invention includes a semiconductor layer and an electrolyte layer formed by supporting a sensitizing dye having an acidic group-containing porphyrin multimer represented by the following general formula (1) as a base skeleton between the counter electrodes. Is installed.
일반식 (1):General formula (1):
(단, 상기 일반식 (1)에 있어서, R1∼R18은 동일하더라도 달라도 되며, 수소 원자 또는 임의의 치환기를 나타낸다. 단, R1∼R18의 적어도 1개는 산성 치환기이다.)(However, in the general formula (1), R 1 to R 18 may be the same or different, and represent a hydrogen atom or an optional substituent. However, at least one of R 1 to R 18 is an acidic substituent.)
본 발명에 관한 또 다른 증감형 광전변환장치는, 대향전극 사이에, 하기의 일반식 (2)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체를 기재 골격으로 하는 증감색소를 담지시켜 이루어진 반도체층과, 전해질층이 설치되어 있다.Another sensitized photoelectric conversion device according to the present invention is a semiconductor layer formed by supporting a sensitizing dye having an acidic group-containing porphyrin multimer represented by the following general formula (2) as a base skeleton between an opposing electrode, and an electrolyte. The floor is installed.
일반식 (2):General formula (2):
(단, 상기 일반식 (2)에 있어서, R1∼R18은 동일하더라도 달라도 되며, 수소 원자 또는 임의의 치환기를 나타낸다. 단, R1∼R18의 적어도 1개는 산성 치환기이다. 또한, M으로 표시되는 금속군은 임의의 금속종이다.)(However, in the general formula (2), R 1 to R 18 may be the same or different, and represent a hydrogen atom or an optional substituent. However, at least one of R 1 to R 18 is an acidic substituent.) The metal group represented by M is any metal species.)
본 발명에 관한 또 다른 색소증감형 광전변환장치는, 대향전극 사이에, 하기의 일반식 (3)으로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체를 기재 골격으로 하는 증감색소를 담지시켜 이루어진 반도체층과, 전해질층이 설치되어 있다.Another dye-sensitized photoelectric conversion device according to the present invention includes a semiconductor layer formed by supporting a sensitizing dye having an acidic group-containing porphyrin multimer represented by the following general formula (3) as a base skeleton between counter electrodes; An electrolyte layer is provided.
일반식 (3):General formula (3):
(단, 상기 일반식 (3)에 있어서, R1∼R24는 동일하더라도 달라도 되며, 수소 원자 또는 임의의 치환기를 나타낸다. 단, R1∼R24의 적어도 1개는 산성 치환기이다. 또한, n은 1 이상의 정수이다.)(However, in the general formula (3), R 1 to R 24 may be the same or different and represent a hydrogen atom or an arbitrary substituent. However, at least one of R 1 to R 24 is an acidic substituent. n is an integer of 1 or more.)
더구나, 본 발명에 관한 또 다른 색소증감형 광전변환장치는, 대향전극 사이에, 하기의 일반식 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체를 기재 골격으로 하는 증감색소를 담지시켜 이루어진 반도체층과, 전해질층이 설치되어 있다.Furthermore, another dye-sensitized photoelectric conversion device according to the present invention is a semiconductor layer formed by supporting a sensitizing dye having an acidic group-containing porphyrin multimer represented by the following general formula (4) as a base skeleton between opposing electrodes. And an electrolyte layer are provided.
일반식 (4):General formula (4):
(단, 상기 일반식 (4)에 있어서, R1∼R24는 동일하더라도 달라도 되며, 수소 원자 또는 임의의 치환기를 나타낸다. 단, R1∼R24의 적어도 1개는 산성 치환기이다. 또한, M으로 표시되는 금속군은 임의의 금속종이다. 또한, n은 1 이상의 정수이다.)(However, in the general formula (4), R 1 to R 24 may be the same or different, and represent a hydrogen atom or an optional substituent. However, at least one of R 1 to R 24 is an acidic substituent.) The metal group represented by M is any metal species, and n is an integer of 1 or more.)
본 발명에 관한 색소증감형 광전변환장치에 따르면, 반도체층이, 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체를 기본 골격으로 하는(이하, "산성기 함유 포르피린 다량체로 이루어진"으로 기재한다.) 증감색소를 담지시켜 이루어지므로, 가시광선 영역(400∼800nm)에서 매우 큰 광흡수대를 가질 수 있어, 특히 태양광 에너지로부터 전기 에너지로 직접 변환할 때의 변환효율을 비약적으로 향상시킬 수 있다.According to the dye-sensitized photoelectric conversion device according to the present invention, the semiconductor layer has an acidic group-containing porphyrin multimer represented by General Formula (1), (2), (3) or (4) as a basic skeleton (hereinafter as follows). (Consisting of an acidic group-containing porphyrin multimer).) Since it is formed by supporting sensitizing dyes, it can have a very large light absorption band in the visible light region (400 to 800 nm), in particular directly from solar energy to electrical energy. The conversion efficiency at the time of conversion can be improved remarkably.
또한, 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체로 이루어진 증감색소는, 합성이 용이하고, 염가이며, 안전한 재료이기 때문에, 생산성이 우수하다고 하는 이점을 갖는다.In addition, since the sensitizing dye which consists of the acidic group containing porphyrin multimer represented by General formula (1), (2), (3) or (4) is easy synthesis | combination, and is a cheap and safe material, it is excellent in productivity. Has the advantage.
더구나, 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체로 이루어진 증감색소는, 그것의 산성기를 거쳐 반도체 표면과 견고한 결합 상태를 형성할 수 있으므로, 색소증감형 광전변환장치는 내구성이 우수하게 된다.Furthermore, since the sensitizing dye consisting of the acid group-containing porphyrin multimer represented by the general formulas (1), (2), (3) or (4) can form a firm bonding state with the semiconductor surface via its acid group, The dye-sensitized photoelectric conversion device becomes excellent in durability.
본 발명의 또 다른 목적, 본 발명에 의해 얻어지는 구체적인 이점은, 이하에서 도면을 참조하여 설명되는 실시예의 설명으로부터 한층 더 명확해질 것이다.Further objects of the present invention and specific advantages obtained by the present invention will become more apparent from the description of the embodiments described below with reference to the drawings.
도 1은, 본 발명에 관한 색소증감형 태양전지를 나타낸 개략 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view showing a dye-sensitized solar cell according to the present invention.
이하, 본 발명에 관한 색소증감형 광전변환장치를 구체적으로 설명한다. 본 발명에 관한 색소증감형 광전변환장치에 사용되는 산성 치환기로서는, 카르복실기, 술폰산기, 수산기, 4-카르복시페닐기 등을 들 수 있다.Hereinafter, the dye-sensitized photoelectric conversion device according to the present invention will be described in detail. As an acidic substituent used for the dye-sensitized photoelectric conversion apparatus which concerns on this invention, a carboxyl group, a sulfonic acid group, a hydroxyl group, 4-carboxyphenyl group, etc. are mentioned.
전술한 일반식 (1) 또는 (2)의 R1∼R18, 또는 상기 일반식 (3) 또는 (4)의 R1∼R24가 수소 원자, 할로겐 원자, 머캅토기, 아미노기, 니트로기, 시아노기, 카르복실기, 술폰산기, 수산기, 치환 또는 미치환의 알킬기, 치환 또는 미치환의 아릴기, 치환 또는 미치환의 알콕실기, 치환 또는 미치환의 아릴옥시기, 치환 또는 미치환의 알킬티오기, 치환 또는 미치환의 아릴티오기, 치환 또는 미치환의 알킬아미노기, 치환 또는 미치환의 아릴아미노기, 치환 또는 미치환의 카르본산 에스테르기, 치환 또는 미치환의 카르본산 아미드기, 치환 또는 미치환의 술폰산 에스테르, 치환 또는 미치환의 술폰산 아미드기, 치환 또는 미치환의 카르보닐기, 치환 또는 미치환의 실릴기, 치환 또는 미치환의 실록시기 등의 치환기이며, R1∼R18의 적어도 1개 또는 R1∼R24의 적어도 1개가 카르복실기, 술폰산기, 수산기, 4-카르복시페닐기 등의 산성 치환기인 것이 바람직하다.R 1 to R 18 of General Formula (1) or (2) above, or R 1 to R 24 of General Formula (3) or (4) represent a hydrogen atom, a halogen atom, a mercapto group, an amino group, a nitro group, Cyano group, carboxyl group, sulfonic acid group, hydroxyl group, substituted or unsubstituted alkyl group, substituted or unsubstituted aryl group, substituted or unsubstituted alkoxyl group, substituted or unsubstituted aryloxy group, substituted or unsubstituted alkylthio group , Substituted or unsubstituted arylthio group, substituted or unsubstituted alkylamino group, substituted or unsubstituted arylamino group, substituted or unsubstituted carboxylic acid ester group, substituted or unsubstituted carboxylic acid amide group, substituted or unsubstituted Or a substituent such as a substituted or unsubstituted sulfonic acid amide group, a substituted or unsubstituted carbonyl group, a substituted or unsubstituted silyl group, a substituted or unsubstituted siloxy group, and at least one of R 1 to R 18 , or Red of R 1 to R 24 It is preferable that at least one is an acidic substituent, such as a carboxyl group, a sulfonic acid group, a hydroxyl group, and 4-carboxyphenyl group.
본 발명에 관한 색소증감형 태양전지를 포함하는 색소증감형 광전변환장치에 있어서, 반도체층이 산화물 반도체로 이루어진 것이 바람직하다.In the dye-sensitized photoelectric conversion device including the dye-sensitized solar cell according to the present invention, the semiconductor layer is preferably made of an oxide semiconductor.
여기에서, 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)에 있어서, R1∼R18 또는 R1∼R 24로 표시되는 치환기 중 적어도 1개가, 산성 치환기, 예를 들면, 카르복실기, 술폰산기, 수산기, 4-카르복시페닐기이므로, 반도체층이 산화물 반도체로 구성되어 있어도 흡착능이 우수하여, 산화물 반도체와 증감색소의 복합체를 형성하는데에도 유리하다. 이때, 전술한 예시된 산성 치환기 중에서는 카르복실기, 4-카르복시페닐기를 포함하는 것이 특히 바람직하다.Here, in the general formula (1), (2), (3) or (4), R 1 ~R 18 or at least one of substituents represented by R 1 ~R 24, acid substituent, for example, Since it is a carboxyl group, a sulfonic acid group, a hydroxyl group, and 4-carboxyphenyl group, even if a semiconductor layer consists of an oxide semiconductor, it is excellent in adsorption ability and it is advantageous also in forming a complex of an oxide semiconductor and a sensitizing dye. At this time, it is especially preferable to contain a carboxyl group and 4-carboxyphenyl group among the above-mentioned illustrated acidic substituents.
전술한 일반식 (3) 또는 (4)에 있어서, n은 1 이상의 정수이지만, 상한은 2로 하는 것이 더욱 바람직하다. 특히, n을 상기한 범위 내로 하는 것에 의해, 가시광선부의 흡수 파장이 장파장측으로 시프트하지 않아, 가시광선 영역의 흡수 효율을 유지할 수 있다.In General Formula (3) or (4), n is an integer of 1 or more, but the upper limit is more preferably 2. In particular, by keeping n within the above range, the absorption wavelength of the visible light portion does not shift to the long wavelength side, and the absorption efficiency of the visible light region can be maintained.
더구나, 일반식 (2) 또는 (4)에 있어서, M으로 표시되는 금속군(중심 금속)으로서는, Zn, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ti, Zr, Hf , V, Nb, Ta, Th, U, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Cd, Hg, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb, As, Sb 및 Bi로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 또는 2종 이상의 금속종을 들 수 있다. 즉, M으로 표시되는 금속군은, 전부 동일 종인 것 이외에도, 서로 다른 2종 또는 그 이상이어도 된다. 특히, M으로 표시되는 금속군은, 전술한 것 중에서는 Zn, Ni, Cu, Pd, Mg이 더욱 바람직하다.Furthermore, in the general formula (2) or (4), as the metal group (center metal) represented by M, Zn, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Th, U, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Cd, Hg, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb, As, Sb and Bi 1 type, or 2 types or 2 or more types of metal species are mentioned. That is, the metal group represented by M may be two or more kinds different from each other in addition to the same species. In particular, in the metal group represented by M, Zn, Ni, Cu, Pd, and Mg are more preferable.
이때, 본 발명에서 사용하는 증감색소는, 1차원 방향으로 포르피린 유도체가 결합한 구조(1차원의 평면형 포르피린 다량체)를 기본골격으로 하지만, 해당 증감색소의 형태에서 용이하게 생각할 수 있는 형태, 예를 들면 기본골격에 다시 상기한 것과 동일한 포르피린 유도체가 2차원 방향으로 결합한 2차원 구조 등으로 할 수도 있다.In this case, the sensitizing dye used in the present invention is based on the structure (one-dimensional planar porphyrin multimer) in which porphyrin derivatives are bound in one-dimensional direction, but a form that can be easily thought of in the form of the sensitizing dye, for example For example, it may be a two-dimensional structure in which the same porphyrin derivative as described above in the backbone is bonded in a two-dimensional direction.
또한, 반도체층은, 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체의 적어도 2종으로 이루어진 증감색소를 담지시켜 이루어진 반도체층이어도 되고, 또는, 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체의 적어도 1종으로 이루어진 증감색소와, 루테늄비피리딘 착체, 클로로필 유도체, 포르피린의 아연 착체 등의 다른 증감색소를 담지시켜 이루어진 반도체층이어도 된다.The semiconductor layer may be a semiconductor layer formed by supporting a sensitizing dye composed of at least two kinds of acidic group-containing porphyrin multimers represented by the general formulas (1), (2), (3) or (4), or , Sensitizing dyes consisting of at least one of the acidic group-containing porphyrin multimers represented by the general formulas (1), (2), (3) or (4), ruthenium bipyridine complexes, chlorophyll derivatives, zinc complexes of porphyrins, and the like. May be a semiconductor layer formed by supporting other sensitizing dyes.
본 발명에 관한 색소증감형 광전변환장치는, 투명 도전막을 구비한 투명기판과, 상기 투명기판의 대향 극을 이루는 도전성 기판 사이에, 반도체층과 상기 전해질층이 설치되어, 광전변환에 의해 투명 도전막과 도전성 기판 사이에서 전기 에너지를 발생할 수 있다.In the dye-sensitized photoelectric conversion device according to the present invention, a semiconductor layer and the electrolyte layer are provided between a transparent substrate having a transparent conductive film and a conductive substrate forming an opposite pole of the transparent substrate, and are transparently conductive by photoelectric conversion. Electrical energy can be generated between the film and the conductive substrate.
본 발명에 관한 색소증감형 광전변환장치는, 예를 들면 색소증감형 태양전지로서 구성되는 것이 바람직하다. 본 발명을 색소증감형 태양전지에 적용한 예를, 도 1을 참조하여 설명한다.The dye-sensitized photoelectric conversion device according to the present invention is preferably configured as, for example, a dye-sensitized solar cell. An example in which the present invention is applied to a dye-sensitized solar cell will be described with reference to FIG. 1.
도 1에 나타낸 본 발명에 관한 색소증감형 태양전지(1)는, 투명 도전막(3)을 구비한 투명기판(2)과, 투명기판(2)의 대향 극을 이루는 도전막(6)을 갖는 기판(5) 사이에, 반도체층(4)과 전해질층(7)이 설치되어 있다. 이것들은, 케이스(8)에 의해 보호되어 있다. 반도체층(4)은, 예를 들면 산화물 반도체로 이루어지고, 또한 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체로 이루어진 증감색소가 담지되어 있다. 투명 도전막(3)과 도전막(6)은, 도선으로 접속되어, 전류계(10)가 부착된 전류회로(9)를 구성하고 있다.The dye-sensitized solar cell 1 according to the present invention shown in FIG. 1 includes a transparent substrate 2 having a transparent conductive film 3 and a conductive film 6 forming opposite poles of the transparent substrate 2. The semiconductor layer 4 and the electrolyte layer 7 are provided between the board | substrates 5 which have. These are protected by the case 8. The semiconductor layer 4 consists of an oxide semiconductor, for example, and is carried with the sensitizing dye which consists of an acidic group containing porphyrin multimer represented by General formula (1), (2), (3) or (4). . The transparent conductive film 3 and the conductive film 6 are connected by conducting wires to form a current circuit 9 with an ammeter 10 attached thereto.
이하에서, 이 색소증감형 태양전지(1)의 동작 메카니즘에 관해 설명한다.The operation mechanism of this dye-sensitized solar cell 1 will be described below.
투명 도전막(3)을 갖는 투면기판(2)에 태양광 L이 입사하면, 이 빛 에너지에 의해 반도체층(4) 내부의 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체로 이루어진 증감색소가 여기하여, 전자가 발생된다. 전술한 것과 같이, 투명 도전막(3)과 도전막(6)은 전류회로(9)에 의해 접속되어 있으므로, 전자가 반도체층(4) 내부의 반도체를 통해 투명 도전막(3)으로 흐르고, 이것에 의해 투명 도전막(3)과 도전막(6) 사이에서 전기 에너지를 끄집어 낼 수 있다.When sunlight L is incident on the projection substrate 2 having the transparent conductive film 3, the light energy causes general formulas (1), (2), (3), or (4) inside the semiconductor layer 4. A sensitizing dye consisting of an acid group-containing porphyrin multimer represented by is excited to generate electrons. As described above, since the transparent conductive film 3 and the conductive film 6 are connected by the current circuit 9, electrons flow to the transparent conductive film 3 through the semiconductor inside the semiconductor layer 4, As a result, electrical energy can be extracted between the transparent conductive film 3 and the conductive film 6.
색소증감형 태양전지(1)는, 반도체층(4)이 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체로 이루어진 증감색소를 담지하고 있으므로, 가시광선 영역(400∼800nm)에서 매우 큰 광흡수대를 가질 수 있어, 태양광 에너지로부터 전기 에너지로 직접 변환하는 변환효율을 비약적으로 향상시킬 수 있다.The dye-sensitized solar cell 1 has a sensitizing dye composed of an acid group-containing porphyrin multimer represented by the general formula (1), (2), (3) or (4), It can have a very large light absorption band in the visible light region (400 ~ 800nm), it is possible to dramatically improve the conversion efficiency of directly converting solar energy to electrical energy.
또한, 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체로 이루어진 증감색소는, 합성이 용이하고, 염가이며, 안전한 재료이기 때문에, 생산성이 우수하다고 하는 이점을 갖는다.In addition, since the sensitizing dye which consists of the acidic group containing porphyrin multimer represented by General formula (1), (2), (3) or (4) is easy synthesis | combination, and is a cheap and safe material, it is excellent in productivity. Has the advantage.
또한, 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체로 이루어진 증감색소는, 그것의 산성기를 거쳐 산화물 반도체 표면과 견고한 결합 상태를 형성할 수 있으므로, 내구성이 우수하다.Further, the sensitizing dye consisting of the acid group-containing porphyrin multimer represented by the general formulas (1), (2), (3) or (4) can form a firm bonding state with the oxide semiconductor surface via its acid group. Excellent durability.
산화물 반도체는, 공지의 것을 임의로 사용할 수 있으며, Ti, Zn, Nb, Zr, Sn, Y, La, Ta 등의 금속 산화물이나, SrTiO3, CaTiO3 등의 페로브스카이트계 산화물 등을 들 수 있다.Oxide semiconductor, it is possible to use a publicly known one, optionally, there may be mentioned Ti, Zn, Nb, Zr, Sn, Y, La, or a metal oxide such as Ta, SrTiO 3, etc. perovskite teugye oxide, such as CaTiO 3 .
산화물 반도체 등으로 이루어진 반도체층(반도체 전극으로도 불린다)의 형상은, 특별히 제한되는 것은 아니며, 막 형태, 판 형태, 기둥 형태, 원통 형태 등의 각종 형상이어도 된다.The shape of the semiconductor layer (also called a semiconductor electrode) made of an oxide semiconductor or the like is not particularly limited, and may be various shapes such as a film form, a plate form, a pillar form, and a cylindrical form.
투명 도전막을 갖는 투명기판으로서는, 유리나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 플라스틱 기판 등의 내열기판 상에 산화인듐, 산화주석, 산화주석인듐 등의 박막을 형성한 것, 또는 불소 도프된 도전성 유리 기판 등을 사용할 수 있다. 이 투명 도전체 기판의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 보통 0.3∼5mm 정도이다.As a transparent substrate having a transparent conductive film, a thin film of indium oxide, tin oxide, tin indium oxide, or the like is formed on a heat-resistant substrate such as a plastic substrate such as glass or polyethylene terephthalate (PET), or a fluorine-doped conductive glass substrate. Can be used. Although the thickness of this transparent conductor substrate is not specifically limited, Usually, it is about 0.3-5 mm.
산화물 반도체로 이루어진 반도체층은, 반도체 입자의 소결 등에 의한 다공질로서 형성하는 것이 필요하며, 예를 들면 공지의 방법(「색소증감 태양전지의 최신기술」(CMC))을 참고로 하여, 티타늄 이소프로폭시드를 질산 용액 중에 용해하여, 수열반응을 행하고, 안정한 산화티탄 콜로이드 용액을 조제하여, 이 용액을 점결제인 폴리에틸렌옥사이드(PEO)와 혼합하고, 유성 볼밀에서 균일화 후에, 이 혼합물을 예를 들면 불소 도프 도전성 유리 기판(시이트 저항 3Ω/□)에 스크린인쇄하고, 450℃에서 소성함으로써 제조할 수 있다.It is necessary to form the semiconductor layer which consists of oxide semiconductors as porous by sintering of semiconductor particle, etc., For example, referring to a well-known method ("the latest technique of a dye-sensitized solar cell" (CMC)), titanium isopro The fox seed is dissolved in a nitric acid solution, hydrothermal reaction is carried out to prepare a stable titanium oxide colloidal solution, the solution is mixed with polyethylene oxide (PEO) as a caking agent and homogenized in a planetary ball mill. It can manufacture by screen-printing on a fluorine dope electroconductive glass substrate (sheet resistance 3 (ohm) / square), and baking at 450 degreeC.
일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체 중의 적어도 1종의 증감색소를 다공질 반도체층에 담지시키기 위해서는, 예를 들면, 이 색소를 디메틸포름아미드 등의 적당한 용매에 용해하고, 이 용액 중에 다공질 반도체층을 침지하여, 다공질 반도체층의 세공 중에 색소가 충분히 함침되어 충분하게 흡착할 때까지 방치한 후, 이것을 꺼내 필요에 따라 세정후, 건조를 시행한다.In order to support at least one sensitizing dye in the acidic group-containing porphyrin multimer represented by the general formulas (1), (2), (3) or (4) on the porous semiconductor layer, for example, this dye is dimethyl After dissolving in a suitable solvent such as formamide, the porous semiconductor layer is immersed in this solution, and the dye is sufficiently impregnated in the pores of the porous semiconductor layer until it is sufficiently adsorbed. To be implemented.
대향 극으로서는, 알루미늄, 은, 주석, 인듐 등의 종래의 태양전지에 있어서의 대향 극으로 공지된 것을 임의로 사용할 수 있지만, I3 - 이온 등의 산화형 레독스 이온의 환원반응을 촉진하는 촉매능을 갖는 백금, 로듐, 루테늄, 산화 루테늄, 카본 등이 더욱 바람직하다. 이들의 금속막은 도전재료 표면에, 물리증착 또는 화학증착함으로써 형성하는 것이 바람직하다.As the counter electrode, any one known as a counter electrode in a conventional solar cell such as aluminum, silver, tin, or indium can be used arbitrarily, but the catalytic ability to promote the reduction reaction of oxidized redox ions such as I 3 - ions. More preferred are platinum, rhodium, ruthenium, ruthenium oxide, carbon and the like. These metal films are preferably formed by physical vapor deposition or chemical vapor deposition on the surface of the conductive material.
양 전극 사이에 삽입되는 전해질로서는, 종래부터 태양전지의 전해질로서 사용되고 있던 것 중에서 임의로 사용할 수 있다. 이와 같은 것으로서, 예를 들면 요오드와 요오드화 칼륨을 폴리프로필렌 카보네이트 25중량%와 탄산 에틸렌 75중량%의 혼합 용매에 용해시킨 것이 있다.As an electrolyte inserted between both electrodes, it can use arbitrarily from what has conventionally been used as electrolyte of a solar cell. As such a thing, there exist some which melt | dissolved iodine and potassium iodide in the mixed solvent of 25 weight% of polypropylene carbonate, and 75 weight% of ethylene carbonate, for example.
이와 같은 구조의 태양전지 등의 색소증감형 광전변환장치는, 양쪽 전극 사이를 도선에서 접속하여, 전류회로를 형성시키고, 투명 도전막측에서 의사 태양광(AM(Air Mass) 1.5, 100mW/cm2)을 조사하면, 13.2% 이상의 높은 광전변환효율로 발전하는 것이 가능하다. 이 광전변환효율은, 막두께, 반도체층의 상태, 색소의 흡착 상태, 전해질의 종류 등에 좌우되므로, 이들의 최적조건을 선택함으로써, 더욱 더 향상시킬 수 있다.In a dye-sensitized photoelectric conversion device such as a solar cell having such a structure, both electrodes are connected by conducting wires to form a current circuit, and pseudo solar light (AM (Air Mass) 1.5, 100 mW / cm 2 on the transparent conductive film side). ), It is possible to generate power with high photoelectric conversion efficiency of 13.2% or more. This photoelectric conversion efficiency depends on the film thickness, the state of the semiconductor layer, the state of adsorption of the dye, the type of the electrolyte, and the like, so that the optimum conditions can be further improved.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 관해 설명하지만, 본 발명은 본 실시예에 한정되는 것은 아니다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, although the specific Example of this invention is described, this invention is not limited to this Example.
<합성예 1>Synthesis Example 1
50ml의 가지 플라스크를 이용하여, 메조-메조 결합 Zn(II)-디포르피린 화합물(18mg, 8mmol)을 30ml의 톨루엔에 용해시켰다. 산화제인 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논(이하, DDQ로 칭한다: 9mg, 40mmol)과 스칸듐트리플루오로메탄술포네이트(이하, Sc(OTf)3로 칭한다: 20mg, 40mmol)를 가해, 혼합 용액을 1시간 환류하였다. 이 혼합물을 메탄올 및 테트라히드로푸란(THF)으로 희석하였다. 로타리이베포레이터에서 용매를 제거하고, 생성물을 THF에 용해시켜 알루미나 컬럼에 통과시켰다. 그후, 벤젠/아세토니트릴로 재결정시켜, 2개의 포르피린 고리가 메조 위치의 탄소로 결합하는 메조-메조 결합과 이 메조-메조 결합에 인접하는 β 위치의 탄소로 결합하는 2개의 β-β 결합의 합계 3개의 결합에 의해 결합하는, 평면형 포르피린 다이머가 얻어졌다(12.9mg, 수율 86%).Using a 50 ml eggplant flask, the meso-meso bound Zn (II) -diporphyrin compound (18 mg, 8 mmol) was dissolved in 30 ml of toluene. 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone (hereinafter referred to as DDQ: 9 mg, 40 mmol) as an oxidant and scandium trifluoromethanesulfonate (hereinafter referred to as Sc (OTf) 3 ) : 20 mg, 40 mmol) was added and the mixed solution was refluxed for 1 hour. This mixture was diluted with methanol and tetrahydrofuran (THF). The solvent was removed in a rotary evaporator and the product dissolved in THF and passed through an alumina column. Then recrystallized with benzene / acetonitrile, the sum of the meso-meso bonds in which the two porphyrin rings are bonded to carbon at the meso position and the two beta -β bonds bonded at the β position carbon adjacent to the meso-meso bonds. Planar porphyrin dimers were obtained (12.9 mg, yield 86%), bound by three bonds.
이 화합물의 1H-NMR 스펙트럼, UV-Vis 스펙트럼, MALDI-TOF MAS 스펙트럼을 조사한 바, 일반식 (2)에 있어서의 R1, R4, R10, R13이 4-카르복시페닐기, 그 이외가 수소 원자이며, M은 Zn을 표시되는 평면형 금속 포르피린 다이머인 것이 확인되었다. 이하, 전술한 것과 같이 하여 얻어진 평면형 금속(아연) 포르피린 다이머를 화합물 (A)로 부른다.The 1H-NMR spectrum, the UV-Vis spectrum, and the MALDI-TOF MAS spectrum of the compound were examined. As a result, R 1 , R 4 , R 10 , and R 13 in General Formula (2) are 4-carboxyphenyl groups and others. It was confirmed that it is a hydrogen atom and M is a planar metal porphyrin dimer which shows Zn. Hereinafter, the planar metal (zinc) porphyrin dimer obtained as mentioned above is called compound (A).
<합성예 2>Synthesis Example 2
전술한 것과 같이 얻어진 평면형 아연 포르피린 다이머(화합물 (A))를 진한 황산과 트리플루오로초산에 의한 탈금속화 처리를 함으로써, 금속 프리의 평면형 포르피린 다이머를 얻을 수 있었다.The planar zinc porphyrin dimer (compound (A)) obtained as described above was subjected to demetallization treatment with concentrated sulfuric acid and trifluoroacetic acid, thereby obtaining a planar porphyrin dimer of metal-free.
이 화합물의 1H-NMR 스펙트럼, UV-Vis 스펙트럼, MALDI-TOF MAS 스펙트럼을 조사한 바, 일반식 (1)에 있어서의 R1, R4, R10, R13이 4-카르복시페닐기, 그 이외가 수소 원자인, 평면형 포르피린 다이머인 것이 확인되었다. 이하, 전술한 것과 같이 해서 얻어진 평면형 포르피린 다이머를 화합물 (B)로 부른다.The 1H-NMR spectrum, the UV-Vis spectrum, and the MALDI-TOF MAS spectrum of the compound were examined. As a result, R 1 , R 4 , R 10 , and R 13 in General Formula (1) are 4-carboxyphenyl groups and others. It was confirmed that it is a planar porphyrin dimer which is a hydrogen atom. Hereinafter, the planar porphyrin dimer obtained as described above is called compound (B).
<합성예 3>Synthesis Example 3
50ml의 가지 플라스크를 이용하여, 메조-메조 결합 Zn(II)-헥사포르피린 화합물(30mg, 4.7mmol)을 50ml의 톨루엔에 용해시켰다. 산화제인 DDQ(27mg, 120mmol)과 Sc(OTf)3(60mg, 120mmol)을 가하고, 혼합 용액을 2시간 환류하였다. 이 혼합물을 메탄올 및 THF로 희석하였다. 로타리이베포레이터로 용매를 제거하고, 생성물을 THF에 용해시켜 알루미나 컬럼에 통과시켰다. 그후, 벤젠/아세토니트릴로 재결정시켜, 6개의 포르피린 고리가 메조 위치의 탄소로 결합하는 메조-메조 결합과 이 메조-메조 결합에 인접하는 β 위치의 탄소로 결합하는 2개의 β-β 결합의 합계 3개의 결합에 의해 결합하는, 평면형 포르피린 헥사머가 얻어졌다(18.5mg, 수율 62%).Using a 50 ml eggplant flask, the meso-meso bound Zn (II) -hexaporphyrin compound (30 mg, 4.7 mmol) was dissolved in 50 ml of toluene. The oxidizing agent DDQ (27 mg, 120 mmol) and Sc (OTf) 3 (60 mg, 120 mmol) were added and the mixed solution was refluxed for 2 hours. This mixture was diluted with methanol and THF. The solvent was removed with a rotary evaporator and the product dissolved in THF and passed through an alumina column. Then recrystallized with benzene / acetonitrile, the sum of the meso-meso bonds in which the six porphyrin rings are bonded to carbon at the meso position and the two beta -β bonds bonded at the β position carbon adjacent to the meso-meso bonds. Planar porphyrin hexamer was obtained (18.5 mg, yield 62%), bound by three binding.
이 화합물의 1H-NMR 스펙트럼, UV-Vis 스펙트럼, MALDI-TOF MAS 스펙트럼을 조사한 바, 상기 일반식 (4)에 있어서 R1, R4, R10, R13, R 16, R22, R24가 4-카르복시페닐기, 그 이외가 수소 원자이며, M은 Zn, n=4를 표시하는, 평면형 금속 포르피린 헥사머인 것이 확인되었다. 이하, 상기한 것과 같이 하여 얻어진 평면형 금속(아연) 포르피린 헥사머를 화합물 (C)로 부른다.The 1H-NMR spectrum, the UV-Vis spectrum, and the MALDI-TOF MAS spectrum of the compound were examined. According to the general formula (4), R 1 , R 4 , R 10 , R 13 , R 16 , R 22 , and R 24 It was confirmed that is a 4-carboxyphenyl group and other than that, a hydrogen atom and M is a planar metal porphyrin hexamer which shows Zn and n = 4. Hereinafter, the planar metal (zinc) porphyrin hexamer obtained as mentioned above is called compound (C).
<합성예 4>Synthesis Example 4
전술한 것과 같이 하여 얻어진 평면형 아연 포르피린 헥사머(화합물 (C))를 진한 황산과 트리플루오로초산에 의한 탈금속화 처리를 함으로써, 금속 프리의 평면형 포르피린 헥사머를 얻을 수 있었다.The planar zinc porphyrin hexamer (compound (C)) obtained as described above was subjected to demetallization treatment with concentrated sulfuric acid and trifluoroacetic acid to obtain a planar porphyrin hexamer free of metal.
이 화합물의 1H-NMR 스펙트럼, UV-Vis 스펙트럼, MALDI-TOF MAS 스펙트럼을 조사한 바, 일반식 (3)에 있어서 R1, R4, R10, R13, R16 , R22, R24가 4-카르복시페닐기, 그 이외가 수소 원자이며, n=4를 표시하는, 평면형 포르피린 헥사머인 것이 확인되었다.The 1 H-NMR spectrum, the UV-Vis spectrum, and the MALDI-TOF MAS spectrum of the compound were examined, and R 1 , R 4 , R 10 , R 13 , R 16 , R 22 , and R 24 in General Formula (3) It was confirmed that 4-carboxyphenyl group and others are hydrogen atoms and planar porphyrin hexamer which shows n = 4.
이하, 전술한 것과 같이 하여 얻어진 평면형 포르피린 헥사머를 화합물 (D)로 부른다.Hereinafter, the planar porphyrin hexamer obtained as described above is called compound (D).
실시예 1Example 1
TiO2 페이스트의 제작은 「색소증감 태양전지의 최신기술」(CMC)을 참고로 하여 행하였다. 125ml의 티타늄이소프로폭시드를 750ml의 0.1M 질산 수용액에 실온에서 교반하면서 천천히 적하하였다. 적하가 종료하면 80℃의 항온조로 옮겨, 8시간 교반하면, 백탁한 반투명의 졸 용액이 얻어졌다. 이 졸 용액을 실온까지 방치하여 냉각하고, 글래스 필터로 여과한 후, 700ml로 메스업하였다. 얻어진 졸 용액을 오토클레이브로 옮겨, 220℃에서 12시간 수열처리를 행한 후, 1시간 초음파처리에 의해 분산처리하였다. 다음에, 이 용액을 이베포레이터에 의해 40℃에서 농축하여, TiO2의 함유량이 11중량%가 되도록 조제하였다. 이 농축 졸 용액에 분자량이 50만인 PEO(폴리에틸렌옥사이드)을 첨가하고, 유성 볼밀로 균일하게 혼합하여, 증점한 TiO2 페이스트를 얻었다.The production of TiO 2 paste was performed with reference to "the latest technology of dye-sensitized solar cell" (CMC). 125 ml of titanium isopropoxide was slowly added dropwise to 750 ml of 0.1 M aqueous nitric acid solution with stirring at room temperature. When dripping was complete, it moved to the 80 degreeC thermostat and stirred for 8 hours, and the cloudy semitransparent sol solution was obtained. The sol solution was allowed to stand at room temperature and cooled, filtered through a glass filter, and the volume thereof was made up to 700 ml. The obtained sol solution was transferred to an autoclave and subjected to hydrothermal treatment at 220 ° C. for 12 hours, followed by dispersion treatment by ultrasonic treatment for 1 hour. Next, by concentration of the solution at 40 ℃ by the evaporator, when the content of TiO 2 was prepared such that 11% by weight. PEO (polyethylene oxide) having a molecular weight of 500,000 was added to this concentrated sol solution, and the mixture was uniformly mixed with an oily ball mill to obtain a thickened TiO 2 paste.
전술한 것과 같이 하여 얻어진 TiO2 페이스트를 스크린인쇄법으로 불소 도프 도전성 유리 기판(시이트 저항 30Ω/□) 상에 0.2cm×O.2cm의 크기로 도포한 후, 450℃에서 30분간 유지하여, TiO2를 도전성 유리 기판 상에서 소결하여, 다공질 산화티타늄막을 형성하였다.The TiO 2 paste obtained as described above was applied to the fluorine-doped conductive glass substrate (sheet resistance 30Ω / □) by screen printing in a size of 0.2 cm × 0.2 cm, and then held at 450 ° C. for 30 minutes to maintain TiO 2 paste. 2 was sintered on the conductive glass substrate to form a porous titanium oxide film.
전술한 합성예 1에서 얻은 평면형 아연 포르피린 다이머(화합물 (A)), 합성예 2에서 얻은 평면형 포르피린 다이머(화합물 (B)), 합성예 3에서 얻은 평면형 아연 포르피린 헥사머(화합물 (C)), 합성예 4에서 얻은 평면형 포르피린 헥사머(화합물 (D))를 각각 5×10-4M로 디메틸포름아미드에 용해하여 조제한 용액 중에, 상기한 다공질 산화티타늄막을 침지하여, 80℃에서 12시간 방치한 후, 아르곤 분위기 하에서 메탄올 세정하고, 건조하였다.Planar zinc porphyrin dimer (compound (A)) obtained in Synthesis Example 1, planar porphyrin dimer (compound (B)) obtained in Synthesis Example 2, planar zinc porphyrin hexamer (compound (C)) obtained in Synthesis Example 3, The above-mentioned porous titanium oxide membrane was immersed in a solution prepared by dissolving planar porphyrin hexamer (compound (D)) obtained in Synthesis Example 4 in dimethylformamide at 5 x 10 -4 M, respectively, and left at 80 ° C for 12 hours. Then, methanol was washed under argon atmosphere and dried.
대향 극으로서, ITO(Indium Tin Oxide: 인듐 산화물에 주석을 도프한 투명한 도전성 산화물) 부착 기판 상에, 스퍼터링법에 의해 두께 10㎛의 백금막을 붙인 것을 사용하고, 전해질로서, 요오드 0.38g과 요오드화칼륨 2.49g의 혼합물을, 프로필렌카보네이트 25중량%과 탄산에틸렌 75중량%의 혼합물 30g에 용해한 것을 이용하여, 도 1에 나타낸 것과 같은 구조의 태양전지를 제작하였다.As the counter electrode, a platinum film having a thickness of 10 µm was deposited on a substrate with ITO (Indium Tin Oxide: doped with tin indium oxide) by a sputtering method, and 0.38 g of iodine and potassium iodide were used as an electrolyte. The solar cell of the structure as shown in FIG. 1 was produced using what melt | dissolved 2.49 g of mixture in 30 g of mixtures of 25 weight% of propylene carbonate and 75 weight% of ethylene carbonate.
전술한 것과 같이 하여 제작한 태양전지를 동작시키는 광선으로서는, 의사 태양광(AM1.5 , 100mW/cm2)을 사용하였다. 전술한 것과 같이 하여 얻어진 화합물 (A)∼(D)를 증감색소로서 사용한 각 태양전지의 성능을 측정하고, 그 결과를 하기의 표 1에 함께 나타낸다. 이때, 비교예로서, 화합물 (A)∼(D)에 있어서 산성기(4-카르복시페닐기)를 함유하지 않는 화합물, 및 산성기는 함유하고 있지만, 단량체인 포르피린 화합물(5, 10, 15, 20-테트라키스-(4-카르복시페닐)포르피린)을 전술한 것과 동일하게 하여 증감색소로서 사용한 태양전지를 각각 제작하고, 이들 각 태양전지의 성능도 하기 표 1에 함께 나타낸다.Pseudo sunlight (AM1.5, 100 mW / cm 2 ) was used as a light ray for operating the solar cell produced as described above. The performance of each solar cell using the compounds (A) to (D) obtained as described above as a sensitizing dye is measured, and the results are shown together in Table 1 below. At this time, as a comparative example, the compound which does not contain an acidic group (4-carboxyphenyl group) in compound (A)-(D), and the porphyrin compound (5, 10, 15, 20- which is a monomer although it contains an acidic group) Tetrakis- (4-carboxyphenyl) porphyrin) was prepared in the same manner as described above, and solar cells used as sensitizing dyes were produced, respectively, and the performance of each of these solar cells was also shown in Table 1 below.
이때, 표 1에서, 단락전류란, 대향전극 사이를 단락하여 측정한 전류를 의미하며, 개방전압이란, 대향전극 사이를 오픈으로 하여 발생한 전압을 의미하며, 또한 광전변환효율은, 하기의 식 (1)로 표시된다.In this case, in Table 1, the short-circuit current means a current measured by shorting the opposing electrodes, and the open voltage means a voltage generated by opening the opposing electrodes, and the photoelectric conversion efficiency is expressed by the following equation ( Is indicated by 1).
식 (1)Formula (1)
변환효율(%)=(출력 전기 에너지)/(입사하는 태양광 에너지)×100Conversion efficiency (%) = (output electric energy) / (incident solar energy) * 100
[표 1]TABLE 1
이상에서 알 수 있는 것과 같이, 본 발명에 관한 색소증감형 태양전지는, 반도체층이, 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 평면형 포르피린 다량체로 이루어진 증감색소를 담지시켜 이루어지므로, 산성기를 함유하지 않는 화합물을 사용한 경우와 단량체를 사용한 경우에 비해, 가시광선 영역(400∼800nm)에서 매우 큰 광흡수대를 가질 수 있어, 태양광 에너지로부터 전기 에너지로 직접 변환하는 변환효율을 비약적으로 향상시킬 수 있다.As can be seen from the above, in the dye-sensitized solar cell according to the present invention, the semiconductor layer is an acid group-containing planar porphyrin multimer represented by the general formula (1), (2), (3) or (4). Since it is made by supporting the sensitizing dye, it is possible to have a very large light absorption band in the visible region (400-800 nm), compared with the case of using a compound containing no acidic group and the monomer, and from electrical energy to solar energy It is possible to dramatically improve the conversion efficiency of directly converting to.
또한, 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 평면형 포르피린 다량체로 이루어진 증감색소는, 안전하고 저렴하게 합성할 수 있는 재료로서 입수가 용이하고 생산성이 우수한 것 이외에, 반도체 표면과 견고한 결합상태를 형성 할 수 있으므로, 색소증감형 태양전지는, 내구성이 우수하다.Further, the sensitizing dyes composed of acid group-containing planar porphyrin multimers represented by the general formulas (1), (2), (3) or (4) are materials that can be synthesized safely and inexpensively and are easily available and have high productivity. In addition to being excellent, a dye-sensitized solar cell is excellent in durability because it can form a firm bonding state with the semiconductor surface.
이상, 본 발명을 실시의 형태 및 실시예에 기초하여 설명했지만, 전술한 예는, 본 발명의 기술적 사상에 근거하여 다양하게 변형이 가능하다.As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment and Example, the above-mentioned example can be variously modified based on the technical idea of this invention.
예를 들면, 상기한 실시예에서는, 반도체층이 상기 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체로 이루어진 증감색소를 담지시킨 예를 나타내었지만, 반도체층은, 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체의 적어도 2종으로 이루어진 증감색소를 담지시켜 이루어진 반도체층이어도 되며, 또는, 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체의 적어도 1종으로 이루어진 증감색소와, 루테늄비피리딘 착체, 클로로필 유도체, 포르피린의 아연 착체 등의 다른 증감색소를 담지시켜 이루어진 반도체층이어도 된다.For example, in the above-mentioned embodiment, although the semiconductor layer showed the example which carried the sensitizing dye which consists of the acidic group containing porphyrin multimer represented by the said General formula (1), (2), (3) or (4), The semiconductor layer may be a semiconductor layer formed by supporting a sensitizing dye composed of at least two kinds of acidic group-containing porphyrin multimers represented by the general formulas (1), (2), (3) or (4), or Sensitizing dyes composed of at least one of the acid group-containing porphyrin multimers represented by the general formulas (1), (2), (3) or (4), ruthenium bipyridine complexes, chlorophyll derivatives, zinc complexes of porphyrins, and the like. It may be a semiconductor layer formed by supporting other sensitizing dyes.
또한, 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체는, 해당 증감색소의 형태로부터 용이하게 생각할 수 있는 다른 형태, 예를 들면, 2차원 구조 등이어도 된다.In addition, the acidic group-containing porphyrin multimers represented by the general formulas (1), (2), (3) or (4) can be easily conceived from the form of the sensitizing dye, for example, two-dimensional. It may be a structure or the like.
더구나, 색소증감형 광전변환장치의 형태, 구조와 사용 재료 등은, 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 청구의 범위 및 그것의 주지를 일탈하지 않으면서, 적절히 선택가능하며, 다양한 변경, 치환 또는 그와 동등한 것을 행할 수 있다는 것은 당업자에 있어서 자명하다.In addition, the form, structure and material of the dye-sensitized photoelectric conversion device are not limited to the above-described embodiments, and may be appropriately selected without departing from the scope of the appended claims and their known features, and various modifications may be made. It is apparent to those skilled in the art that the substitution, or the equivalent thereof can be performed.
본 발명에 관한 색소증감형 광전변환장치에 따르면, 반도체층이, 전술한 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체로 이루어진 증감색소를 담지시켜 이루어지므로, 가시광선 영역(400∼800nm)에서 매우 큰 광흡수대를 가질 수 있어, 특히 태양광 에너지로부터 전기 에너지로 직접 변환할 때의 변환효율을 비약적으로 향상시킬 수 있다.According to the dye-sensitized photoelectric conversion apparatus according to the present invention, the semiconductor layer carries a sensitizing dye consisting of an acid group-containing porphyrin multimer represented by the general formulas (1), (2), (3) or (4) described above. In this case, it is possible to have a very large light absorption band in the visible light region (400 to 800 nm), and in particular, the conversion efficiency when directly converting solar energy into electrical energy can be remarkably improved.
일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체로 이루어진 증감색소는, 합성이 용이하여, 염가이고 안전한 재료이기 때문에, 생산성이 우수하다고 하는 이점을 갖는다.The sensitizing dyes composed of the acid group-containing porphyrin multimers represented by the general formulas (1), (2), (3) or (4) are easy to synthesize, and are an inexpensive and safe material. Have
더구나, 일반식 (1), (2), (3) 또는 (4)로 표시되는 산성기 함유 포르피린 다량체로 이루어진 증감색소는, 그것의 산성기를 거쳐 반도체 표면과 견고한 결합 상태를 형성할 수 있으므로, 색소증감형 광전변환장치는, 내구성이 우수한 것이 된다.Furthermore, since the sensitizing dye consisting of the acid group-containing porphyrin multimer represented by the general formulas (1), (2), (3) or (4) can form a firm bonding state with the semiconductor surface via its acid group, The dye-sensitized photoelectric conversion device is excellent in durability.
Claims (12)
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|---|---|---|---|---|
| KR100809496B1 (en) * | 2006-10-24 | 2008-03-04 | 김환규 | New Porphyrin Derivatives for Dye Response Solar Cells |
| KR101430139B1 (en) * | 2012-06-29 | 2014-08-14 | 성균관대학교산학협력단 | Manufacturing technology perovskite-based mesoporous thin film solar cell |
-
2003
- 2003-07-02 KR KR10-2004-7020564A patent/KR20050024344A/en not_active Ceased
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|---|---|---|---|---|
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| KR101430139B1 (en) * | 2012-06-29 | 2014-08-14 | 성균관대학교산학협력단 | Manufacturing technology perovskite-based mesoporous thin film solar cell |
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