TOP > 国内特許検索 > 有機色素材料及びそれを用いた色素増感太陽電池

有機色素材料及びそれを用いた色素増感太陽電池 NEW

国内特許コード P180015606
整理番号 4166
掲載日 2018年11月22日
出願番号 特願2015-504403
出願日 平成26年3月6日(2014.3.6)
国際出願番号 JP2014055872
国際公開番号 WO2014136915
国際出願日 平成26年3月6日(2014.3.6)
国際公開日 平成26年9月12日(2014.9.12)
優先権データ
  • 特願2013-044626 (2013.3.6) JP
発明者
  • 若宮 淳志
  • 遠藤 克
  • 下河 広幸
  • 村田 靖次郎
出願人
  • 国立大学法人京都大学
発明の名称 有機色素材料及びそれを用いた色素増感太陽電池 NEW
発明の概要 本発明は、高い電荷注入効率、高い光電変換効率、及び二酸化チタンへの優れた吸着性能を有する有機色素化合物を提供する。また、本発明は当該有機色素化合物を含む色素増感太陽電池を提供する。
本発明は、一般式(1):



(式中、Tは酸化物半導体に結合可能な1個以上の基を有する1価の基であり、環Ar及び環Arは、ヘテロ芳香環であり、Y及びYは、炭素原子及び窒素原子からなる群より選ばれる1種であり、Y及びYの少なくとも一方は窒素原子であり、
及びXは、水素原子、ハロゲン、置換又は非置換のアルキル基、置換又は非置換のアリール基等であり、Eは、単結合、-CR=CR-、=CR-等であり、Qは、π共役骨格を有する2価の基(スペーサー部位)であり、Dは、電子供与性骨格を有する1価の基(ドナー部位)である。実線矢印は、共有結合又は配位結合を示す。)
で表される化合物、及び色素に関する。
従来技術、競合技術の概要


有機色素増感太陽電池は、次世代型の太陽電池として活発に研究が行われている。これまでに、ルテニウム錯体色素を用いて光電変換効率11%が達成されているものの、実用化に向けてさらに高い光電変換効率の実現が必要である。また、ルテニウム錯体には、白金族のルテニウムが用いられ、高価であることから、低コストかつ高性能である色素の開発が望まれている。



高い光電変換効率の実現のための最も主要な戦略は、有機色素材料としての化合物に長波長の光を吸収させることである。ここで、当該化合物が適切なHOMOのエネルギー準位(HOMOレベル)及びLUMOのエネルギー準位(LUMOレベル)を有することが重要である。



ルテニウム錯体を用いない有機色素として、二酸化チタンへのアンカー部位として、シアノアクリル酸基などの強い電子求引性基が導入されたものが多数報告されている。この有機色素では、電子供与性の骨格に、強い電子求引性のシアノアクリル酸基を導入することで、強制的にLUMOレベルを低下させて長波長吸収を実現させているため、高い光電変換効率を得るためにはこのユニットの導入が必須とされている(非特許文献1等)。



しかし、この有機色素は、シアノアクリル酸基を含むことでLUMOレベルを低下できるという利点はあるが、LUMOの位置がシアノアクリル酸基に偏在するため、HOMO-LUMO遷移に対応する光吸収強度が低下してしまう。また、有機色素における多様性のあるアンカー部位の構築という観点からも制約がある。



近年、二酸化チタンと結合するアンカー部位、ホウ素への分子内配位結合を有する部分構造(アクセプター部位)、スペーサー部位、及びドナー部位を有する有機色素が報告されている(特許文献1)。このアクセプター部位を有する色素は、広がりのあるπ軌道を保持したままLUMOレベルを下げることができるため、広い波長領域の太陽光を吸収でき、高い光吸収効率、高い電荷分離効率等を実現できるとされている。また、アンカー部位はシアノアクリル酸基に限定されず多様な基に変換できるという利点もある。



しかし、かかる有機色素も、電荷注入効率、光電変換効率、二酸化チタンへの吸着性能等の観点から、必ずしも満足できるものではなく、更なる性能の向上が望まれていた。

産業上の利用分野


本発明は、有機色素材料及びそれを用いた色素増感太陽電池に関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
一般式(1):
【化1】



(式中、Tは酸化物半導体に結合可能な1個以上の基を有する1価の基であり、
環Ar及び環Arは、それぞれ独立して、窒素原子、酸素原子及び硫黄原子からなる群より選ばれる少なくとも1個のヘテロ原子を含むヘテロ芳香環であり、当該ヘテロ芳香環は置換基を有していてもよく、
及びYは、それぞれ独立して、炭素原子及び窒素原子からなる群より選ばれる1種であり、Y及びYの少なくとも一方は窒素原子であり、
及びXは、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン、置換又は非置換のアルキル基、置換又は非置換のアリール基、置換又は非置換のヘテロアリール基、置換又は非置換のアルケニル基、置換又は非置換のアルキニル基、置換又は非置換のアミノ基、置換又は非置換のアルコキシ基、置換又は非置換のアリールアルコキシ基、及び水酸基からなる群より選ばれる1種であるか、X及びXが結合して2価の基を形成してもよく、
Eは、単結合、-CR=CR-、=CR-、>C=O、=N-、-NR-、-O-、-S-、-PR-、=P-、-P(O)R-からなる群より選ばれる1種であり、ここで、Rはそれぞれ独立して、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、ヘテロアリール基、ポリエチレンジオキシ基、ペルフルオロアルキル基、シアノ基、アミノ基、シリル基、ニトロ基、ハロゲン、エステル基、アミド基及びアシル基からなる群より選ばれる少なくとも1種であり、
Qは、π共役骨格を有する2価の基(スペーサー部位)であり、
Dは、電子供与性骨格を有する1価の基(ドナー部位)である。
実線矢印は、共有結合又は配位結合を示す。)
で表される化合物。

【請求項2】
一般式(1)において、Tが、
【化2】



(式中、Tは、カルボキシル基、ボロン酸基、ホスホリル基、スルホン酸基、水酸基、ヒドロキサム酸基、ニトロ基、アミノ基、メルカプト基、シリル基、シロキシ基、又はアジド基、或いは、これらの官能基を1個有するアルキニル基を示す。「・」印は三重結合の炭素原子と結合する位置を示す。)
で表される基、又は
【化3】



(式中、nは1~3の整数であり、環Arは、芳香環又はヘテロ芳香環であり、これら各環は置換基を有していてもよく、T及び「・」印は前記に同じ。)
で表される請求項1に記載の化合物。

【請求項3】
前記Tが、カルボキシル基、ホスホリル基、ボロン酸基、スルホン酸基、水酸基、シリル基、又はシロキシ基であり、nが1又は2であり、環Arが芳香環又はヘテロ芳香環であり、当該環はハロゲン、水酸基、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、ヘテロアリール基、ポリエチレンジオキシ基、ペルフルオロアルキル基、シアノ基、アミノ基、シリル基、ニトロ基、エステル基、アミド基、アシル基及びオキシドからなる群より選ばれる少なくとも1種の基で置換されていてもよい請求項2に記載の化合物。

【請求項4】
前記環ArとT(当該Tが複数の場合そのうちの1個)との単結合、及び前記環Arと三重結合炭素との単結合がほぼ直線上に位置する請求項2又は3に記載の化合物。

【請求項5】
前記環Arがベンゼン環又は6員ヘテロ芳香環であり、前記T(当該Tが複数の場合そのうちの1個)及び三重結合炭素が互いに、当該ベンゼン環又は6員ヘテロ芳香環の1,4-位(パラ位)の位置で結合している請求項2~4のいずれかに記載の化合物。

【請求項6】
前記環Arが5員ヘテロ芳香環であり、前記T(当該Tが複数の場合そのうちの1個)及び三重結合炭素が互いに、当該5員ヘテロ芳香環の1,3-位の位置で結合している請求項2~4のいずれかに記載の化合物。

【請求項7】
前記請求項1~6のいずれかに記載の化合物からなる色素。

【請求項8】
第1電極と、前記第1電極上に形成された光吸収層と、前記光吸収層が形成された第1電極に対向配置される第2電極と、前記第1電極と前記第2電極間に位置する電荷輸送材料とを含み、前記光吸収層が、酸化物半導体及び請求項7に記載の色素を含むことを特徴とする色素増感太陽電池。

【請求項9】
一般式(5):
【化4】



(式中、Uは酸化物半導体に結合可能な1個以上の基を有する1価の基であり、
環Ar及び環Arは、それぞれ独立して、窒素原子、酸素原子及び硫黄原子からなる群より選ばれる少なくとも1個のヘテロ原子を含むヘテロ芳香環であり、当該ヘテロ芳香環は置換基を有していてもよく、
及びYは、それぞれ独立して、炭素原子及び窒素原子からなる群より選ばれる1種であり、Y及びYの少なくとも一方は窒素原子であり、
及びXは、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン、置換又は非置換のアルキル基、置換又は非置換のアリール基、置換又は非置換のヘテロアリール基、置換又は非置換のアルケニル基、置換又は非置換のアルキニル基、置換又は非置換のアミノ基、置換又は非置換のアルコキシ基、置換又は非置換のアリールアルコキシ基、及び水酸基からなる群より選ばれる1種であるか、X及びXが結合して2価の基を形成してもよく、
Eは、単結合、-CR=CR-、=CR-、>C=O、=N-、-NR-、-O-、-S-、-PR-、=P-、-P(O)R-からなる群より選ばれる1種であり、ここで、Rはそれぞれ独立して、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、ヘテロアリール基、ポリエチレンジオキシ基、ペルフルオロアルキル基、シアノ基、アミノ基、シリル基、ニトロ基、ハロゲン、エステル基、アミド基及びアシル基からなる群より選ばれる少なくとも1種であり、
Q3は、単結合、又はπ共役骨格を有する2価の基であり、
Q4は、単結合、又はπ共役骨格を有する2価の基であり、
は同一又は異なって、水素原子、置換若しくは非置換のアルキル基、置換若しくは非置換のアリール基、又は置換若しくは非置換のヘテロアリール基であり、
Dは、電子供与性骨格を有する1価の基(ドナー部位)である。
実線矢印は、共有結合又は配位結合を示す。)
で表される化合物。

【請求項10】
前記請求項9に記載の化合物からなる色素。

【請求項11】
第1電極と、前記第1電極上に形成された光吸収層と、前記光吸収層が形成された第1電極に対向配置される第2電極と、前記第1電極と前記第2電極間に位置する電荷輸送材料とを含み、前記光吸収層が、酸化物半導体及び請求項7又は10に記載の色素を含むことを特徴とする色素増感太陽電池。

【請求項12】
第1電極と、前記第1電極上に形成された光吸収層と、前記光吸収層が形成された第1電極に対向配置される第2電極と、前記第1電極と前記第2電極間に位置する電荷輸送材料とを含み、前記光吸収層が、酸化物半導体、請求項7に記載の色素、及び項10に記載の色素を含むことを特徴とする色素増感太陽電池。
国際特許分類(IPC)
画像

※ 画像をクリックすると拡大します。

JP2015504403thum.jpg
出願権利状態 公開
ライセンスをご希望の方、特許の内容に興味を持たれた方は、下記までご連絡ください。


PAGE TOP

close
close
close
close
close
close
close