説明

ルテニウム錯体

【課題】色素増感太陽電池(DSSC)に適切なルテニウム錯体の提供。
【解決手段】窒素雰囲気下、9,9−ジエチル−9−H−フルオレン−2−イルボロン酸と4,4’−ジブロモ−2,2’−ビピリジンを反応して得た化合物と4,4’−ジカルボン酸−2,2’−ビピリジン、塩化ルテニウムを高温下暗黒で反応し、SephadexLH−20のカラムを使用して、溶離、単離、精製してルテニウム錯体を得る。これは良好な光電特性を有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ルテニウム錯体、より詳細には、色素増感太陽電池(DSSC)に適切なルテニウム錯体に関する。
【背景技術】
【0002】
文明が発展してくると、人類全体がエネルギー危機及び環境汚染の深刻な問題に直面する。これらの問題を解決する一つの方法は、光起電性太陽電池により太陽エネルギーを電気エネルギーに変直接換することである。これらの太陽電池のうち、色素増感太陽電池が、低い製造コストのような良好な特性、広い面積、柔軟性、光透過性を有する太陽電池として製造する可能性、及び建物に使用する可能性によって、予想される新規の太陽電池である。
【0003】
近年、Gratzelらは、色素増感太陽電池に関する論文を発表し(例えば、O’Regan,B.;Graetzel,M.Nature 1991,353,737)、色素増感太陽電池を実用的に適用できることを明らかにした。一般に、色素増感太陽電池の構造は、陰極、陽極、ナノTiO2、色素及び電解質を含む。色素増感太陽電池における色素は、電池の効率に重大な影響を及ぼす。したがって、理想的な色素は、広範囲の太陽スペクトルを吸収する能力、高い吸収係数、高温安定性及び光安定性の特性を有する必要がある。
【0004】
Graetzelの研究室は、色素増感太陽電池の色素として使用される一連のルテニウム錯体を発見した。1993年、Graetzelの研究室は、N3色素により調製された色素増感太陽電池を開示し、その効率は、10.0%(AM1.5)までであった。N3色素の入射光子電流変換効率(IPCE)は、400nm〜600nmの範囲で80%に達することができた。その後、数百の色素が発見されたが、それらのうちでN3色素と同じ効率を有することができたものはなかった。N3色素の構造は、以下の式(a):
【0005】
【化1】

により示される。
【0006】
2003年には、Graetzelの研究室は、N719色素により調製された色素増感太陽電池を開示し、その効率は、10.85%(AM1.5)まで促進された。N719色素の構造は、以下の式(b):
【0007】
【化2】

である。
【0008】
2004年、Graetzelの研究室は、ブラック色素により調製された色素増感太陽電池を開示し、その効率は、11.04%(AM1.5)であった。ブラック色素は、赤色光領域及び赤外光領域のスペクトル反応を強めることができ、それにより色素増感太陽電池の効率が改善される。ブラック色素の構造は、以下の式(c):
【0009】
【化3】

により示される。
【0010】
Graetzelの研究室により開示されたN3色素、N719色素及びブラック色素のルテニウム錯体以外に、白金錯体、オスミウム錯体、鉄錯体、銅錯体などのような幾つかの同様の錯体が存在する。しかし、数多くの研究は、ルテニウム錯体の効率がより優れていることを示している。
【0011】
色素増感太陽電池における色素は、電池の効率に重大な影響を及ぼす。したがって、色素増感太陽電池の効率を改善する一つの方法は、色素増感太陽電池の効率を改善することができる色素分子を見出すことである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明は、色素増感太陽電池に適している新規ルテニウム錯体を提供する。
【0013】
本発明のルテニウム錯体は、以下の式(I):
RuLL′X2 (I)
〔式中、Xは、−NCS,−SCN、−SeCN、−CN又は−Clであり;
Lは、下記:
【0014】
【化4】

であり;
L′は、下記:
【0015】
【化5】

であり、
ここで、
Yは、−O−、−S−、−SO2−、−CF2−、−CCl2−又は−C(R12−であり、ここでR1は、脂肪族基又は芳香族基であり、
1及びQ2は、それぞれ独立して、ハロゲン、H、−CN、−SCN、−NCS又は−SF5であり、
Bは、H又は−(Z−A)m−R2であり、ここで、Zは、単一結合、−CF2O−、−OCF2−、−CH2CH2−、−CF2CF2−、−CF2CH2−、−CH2CF2−、−CHF−CHF−、−C(O)O−、−OC(O)−、−CH2O−、−OCH2−、−CF=CH−、−CH=CF−、−CF=CF−、−CH=CH−又は−C≡C−であり、Aは、置換又は非置換の1,4−フェニレンであり、ここで1又は2つの=CH−は、=N−により置換されていることができ、R2は、H、ヒドロキシル、又は1〜15個の炭素原子を有する有機基であり、mは、0、1又は2である〕
により表される。
【0016】
上記の式(I)において、Xは、−NCS、−SCN、−SeCN、−CN又は−Clであることができ、好ましくは、Xは、−NCS、−SCN又は−CNであり、より好ましくは、Xは、−NCS又は−SCNである。
【0017】
上記の式(I)において、Yは、−O−、−S−、−SO2−、−CF2−、−CCl2−又は−C(R12−であることができ、ここでR1は、脂肪族基又は芳香族基であり、好ましくは、Yは、−O−、−S−、−CF2−、−CCl2−又は−C(R12−であり、ここでR1は、脂肪族基又は芳香族基であり、より好ましくは、Yは、−CF2−、−CCl2−又は−C(R12−であり、ここでR1は、脂肪族基又は芳香族基であり、最も好ましくは、Yは、−C(R12−であり、ここでR1は、脂肪族基又は芳香族基である。
【0018】
上記に記述したR1は、脂肪族基又は芳香族基であることができ、好ましくはアルキル基又はアルコキシ基である。
【0019】
上記の式(I)において、Q1及びQ2は、互いに独立して、ハロゲン、H、−CN、−SCN、−NCS又は−SF5であり、好ましくは、Q1及びQ2は、互いに独立して、ハロゲン、H又は−CNであり、より好ましくは、ハロゲン又はHである。
【0020】
上記の式(I)において、Bは、H又は−(Z−A)m−R2であることができ、ここで、Zは、単一結合、−CF2O−、−OCF2−、−CH2CH2−、−CF2CF2−、−CF2CH2−、−CH2CF2−、−CHF−CHF−、−C(O)O−、−OC(O)−、−CH2O−、−OCH2−、−CF=CH−、−CH=CF−、−CF=CF−、−CH=CH−又は−C≡C−であり、Aは、置換又は非置換の1,4−フェニレンであり、ここで1又は2つの=CH−は、=N−により置換されていることができ、R2は、H、ヒドロキシル、又は1〜15個の炭素原子を有する有機基であり、mは、0、1又は2であり、好ましくは、BはHである。
【0021】
上記に記述したZは、単一結合、−CF2O−、−OCF2−、−CH2CH2−、−CF2CF2−、−CF2CH2−、−CH2CF2−、−CHF−CHF−、−C(O)O−、−OC(O)−、−CH2O−、−OCH2−、−CF=CH−、−CH=CF−、−CF=CF−、−CH=CH−又は−C≡C−であることができ、好ましくは、Zは、単一結合、−CH2CH2−、−C(O)O−、−OC(O)−、−CH2O−、−OCH2−、−CH=CH−又は−C≡C−であり、より好ましくは、Zは、単一結合、−CH2CH2−、−CH2O−、−OCH2−、−CH=CH−又は−C≡C−であり、最も好ましくは、Zは、単一結合、−CH2CH2−又は−CH=CH−である。
【0022】
上記に記述したAは、1〜4つの置換基を有するか又は置換基を有さない1,4−フェニレンであることができ、ここで1又は2つの=CH−は、=N−により置換されていることができ、好ましくは、Aは、1〜4つの置換基を有するか又は置換基を有さない1,4−フェニレンであり、その置換基は、ヒドロキシル、ハロゲン、アルキル、アルコキシ、アルケニル又は−CNから選択され、より好ましくは、Aは、1〜4つの置換基を有するか又は置換基を有さない1,4−フェニレンであり、その置換基は、ハロゲン、アルキル、アルコキシ又は−CNから選択される。
【0023】
上記に記述したR2は、H、ヒドロキシル又は1〜15個の炭素原子を有する有機基であり、好ましくは、R2は、H、アルキル、アルコキシ、アルケニル又は−CNであり、より好ましくは、R2は、H、アルキル、アルコキシ又は−CNである。
【0024】
上記に記述したmは、0、1又は2であることができ、好ましくは、mは、0又は1である。
【0025】
式(I)のルテニウム錯体の例には、下記:
【0026】
【化6】




が挙げられる。
【0027】
本発明では、化合物の分子を遊離酸の形態で表すことができる。しかし、その実際の形態は塩であることができ、むしろ、アルカリ金属塩又は第四級アンモニウム塩であることができる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】本発明の実施例及び比較例のUV−可視吸収スペクトルである。
【図2】本発明の実施例及び比較例のI−V曲線の図である。
【図3】本発明の実施例及び比較例の入射光子電流変換効率(IPCE)の図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
本発明のルテニウム錯体は、以下のプロセス1の方法により合成することができる。
【0030】
【化7】

【0031】
最初に、9,9−ジエチル−9H−フルオレン−2−イルボロン酸を、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウムを触媒として使用するスズキカップリング反応により、4,4′−ジブロモ−2,2′−ビピリジンと反応させて、式(II−1)のリガンドを得た。
【0032】
次いで、〔RuCl2(p−シメン)〕2及び式(II−1)のリガンドを、窒素雰囲気下、脱水ジメチルホルムアミドに溶解し、80℃で4時間加熱して、混合物を得た。続いて、4,4′−ジカルボン酸−2,2′−ビピリジン(H2dcbpy)を混合物に加え、160℃で更に4時間加熱した。前述の工程は、光の照射により引き起こされる異性化反応による異性体の発生を防ぐために、暗黒で処理しなければならない。次に、過剰量のチオシアン酸アンモニウム(NH4NCS)を混合物に加え、反応温度を5時間130℃に調整して、式(I−1)のルテニウム錯体を得た。
【0033】
本発明は、以下の実施例により更に説明されるが、これらの実施例は、説明のためのみであり、本発明の範囲を限定しない。実施例において、化合物分子は、遊離塩の形態で表されており、その実際の形態は、塩、特にアルカリ金属塩又は第四級アンモニウム塩であることができる。特定の指示がない場合、温度は、好ましくは摂氏(℃)により表されており、部及び百分率の単位は、重量により計算されている。重量部と容量画分の関係は、キログラムとリットルの関係に類似している。
【0034】
実施例1
リガンドの合成
1.00部の9,9−ジエチル−9H−フルオレン−2−イルボロン酸、0.42部の4,4′−ジブロモ−2,2′−ビピリジン及び0.09部のテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウムを、50部のトルエンに撹拌下で加えて、混合物を得た。次に、5.64部の2M炭酸ナトリウム水溶液を混合物に加え、100℃で12時間加熱した。得られた生成物を、ジクロロメタンを使用して抽出し、水で洗浄し、次に硫酸マグネシウムで脱水した。脱水後の残留物を溶離し、シリカゲルカラムのジクロロメタン/メタノールによりクロマトグラフィーに付し、精製して、本発明の式(II−1)のリガンドを得た。
【0035】
実施例2
ルテニウム錯体の合成
窒素雰囲気下、0.10部の〔RuCl2(p−シメン)〕2及び0.20部の式(II−1)のリガンドを、30部の脱水ジメチルホルムアミドに溶解し、80℃で4時間加熱して、混合物を得た。続いて、0.08部の4,4′−ジカルボン酸−2,2′−ビピリジン(H2dcbpy)を混合物に加え、160℃で4時間加熱した。前述の工程は、光の照射により引き起こされる異性化反応による異性体の発生を防ぐために、暗黒で処理しなければならない。次に、0.98部のチオシアン酸アンモニウム(NH4NCS)を混合物に加え、反応温度を5時間130℃に調整して、反応を進行させた。反応が終了すると、混合物の溶媒をロータリーエバポレーターで蒸発させた。次に大量の水を加えて、残留チオシアン酸アンモニウムを溶解した。更に、得られたものを焼結ガラスフィルターで濾過し、水に不溶性の生成物を収集した。更に、収集した生成物を蒸留水及びジエチルエーテルそれぞれにより洗浄して、粗生成物を得た。次に、粗生成物をメタノールに溶解し、Sephadex LH−20カラムのメタノールを使用して、溶離、単離及び精製した。主成分の溶出液を収集し、濃縮した。最後に、数滴の0.01M硝酸水溶液を加えて、本発明の式(I−1)のルテニウム錯体を分離した。
【0036】
実施例3
リガンドの合成
1.42部の9,9−ジヘキシル−9H−フルオレン−2−イルボロン酸、0.42部の4,4′−ジブロモ−2,2′−ビピリジン及び0.09部のテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウムを、50部のトルエンに撹拌下で加えて、混合物を得た。次に、5.64部の2M炭酸ナトリウム水溶液をシリンジにより混合物に加え、100℃で12時間加熱した。更に、得られた生成物を、ジクロロメタンを使用して抽出し、水で洗浄し、硫酸マグネシウムで脱水した。脱水後の残留物を溶離し、シリカゲルカラムのジクロロメタン/メタノールによりクロマトグラフィーに付し、精製して、本発明の式(II−2)のリガンドを得た。
【0037】
実施例4
ルテニウム錯体の合成
窒素雰囲気下、0.10部の〔RuCl2(p−シメン)〕2及び0.28部の式(II−2)のリガンドを、30部の脱水ジメチルホルムアミドに溶解し、80℃で4時間加熱した。続いて、0.08部の4,4′−ジカルボン酸−2,2′−ビピリジンを加え、160℃で更に4時間加熱した。前述の工程は、光の照射により引き起こされる異性化反応による異性体の生成を防ぐために、暗黒で進行させなければならない。次に、0.98部のチオシアン酸アンモニウムを加え、反応温度を5時間130℃に調整して、反応を進行させた。反応が終了すると、混合物の溶媒をロータリーエバポレーターで蒸発させた。更に、大量の水を加えて、残留チオシアン酸アンモニウムを溶解した。続いて、混合物を焼結ガラスフィルターを使用して濾過し、水に不溶性の生成物を収集した。次に、生成物を蒸留水及びジエチルエーテルそれぞれにより洗浄して、粗生成物を得た。更に、粗生成物をメタノールに溶解し、Sephadex LH−20カラムのメタノールにより、溶液を溶離、単離及び精製した。主成分の溶出液を収集し、濃縮した。最後に、数滴の0.01M硝酸水溶液を加えて、本発明の式(I−2)のルテニウム錯体を分離した。
【0038】
試験方法及び結果
UV−可視スペクトル
ジメチルホルムアミドを溶媒として使用し、本発明のルテニウム錯体色素及びN719色素を、UV−可視スペクトルを測定するために、濃度1.75×10-5Mで色素溶液に配合した。
【0039】
色素増感太陽電池の製造及び試験
TiO2ナノ結晶粒子を含む電極を、本発明のルテニウム錯体色素を含有する溶液に、ルテニウム錯体色素が電極のTiO2ナノ結晶粒子に付着するような時間で浸けた。TiO2ナノ結晶粒子の電極を取り出し、溶媒を使用して軽く洗浄し、乾燥させ、次に電極を対電極で覆い、密封した。次に、電解質(0.05MのI2/0.5MのLiI/0.5Mのt−ブチルピリジンのアセトニトリル溶液)を加え、有効面積0.25cm2を有する色素増感太陽電池を得るように注入開口部を密封した。得られた色素増感太陽電池の開放電圧(VOC)、短絡電流(JSC)、光電変換効率(η)、充填率(FF)及び入射光子電流変換効率(IPCE)をAM1.5で照射して試験した。
【0040】
同様に、N719色素の色素増感太陽電池を製造し、同様に試験した。
【0041】
試験結果を下記の表1に示す。
【0042】
【表1】

【0043】
表1の試験結果は、本発明の実施例2のルテニウム錯体の最長吸収波長のモル吸収係数が、比較例のN719よりも高いことを示している。すなわち、本発明のルテニウム錯体は、より少ない量を使用して、N719と同じ光電変換効率を有することができる。
【0044】
図1の実施例及び比較例のUV−可視吸収スペクトルを参照すると、本発明の実施例2のルテニウム錯体のモル吸収係数は、全ての波長において、N719よりも高いことを示している。すなわち、本発明のルテニウム錯体は、全ての波長において、より少ない量を使用して、N719と同じ光電変換効率を有することができる。
【0045】
図2の実施例及び比較例のI−V曲線の図を参照すると、本発明の実施例2の(I−1)ルテニウム錯体により調製される色素増感太陽電池は、あらゆる光電特性において、比較例のN719により調製される色素増感太陽電池と同等であることを示している。
【0046】
図3の実施例及び比較例の入射光子電流変換効率(IPCE)の図を参照すると、本発明のルテニウム錯体の光電変換効率は、本発明の実施例2の(I−1)ルテニウム錯体により調製される色素増感太陽電池と、比較例のN719により調製されるものとを比較すると、長い波長においてN719よりも高いことを示している。
【0047】
結論付けると、本発明は、目的、方法及び効果、さらには技術及び研究及び設計のような幾つもの点において従来技術と異なっている。前記の記載から、当業者は、本発明の本質的な特性を容易に確認することができ、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の多様な変更及び修正を行って多様な用途及び条件に適合させることができる。したがって、他の実施態様も特許請求の範囲内である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
以下の式(I):
RuLL′X2 (I)
〔式中、Xは、−NCS,−SCN、−SeCN、−CN又は−Clであり;
Lは、下記:
【化8】

であり;
L′は、下記:
【化9】

であり、
ここで、
Yは、−O−、−S−、−SO2−、−CF2−、−CCl2−又は−C(R12−であり、ここでR1は、脂肪族基又は芳香族基であり、
1及びQ2は、それぞれ独立して、ハロゲン、H、−CN、−SCN、−NCS又は−SF5であり、
Bは、H又は−(Z−A)m−R2であり、ここで、Zは、単一結合、−CF2O−、−OCF2−、−CH2CH2−、−CF2CF2−、−CF2CH2−、−CH2CF2−、−CHF−CHF−、−C(O)O−、−OC(O)−、−CH2O−、−OCH2−、−CF=CH−、−CH=CF−、−CF=CF−、−CH=CH−又は−C≡C−であり、Aは、置換又は非置換の1,4−フェニレンであり、ここで1又は2つの=CH−は、=N−により置換されていることができ、R2は、H、又は1〜15個の炭素原子を有する有機基であり、mは、0、1又は2である〕
により表されるルテニウム錯体。
【請求項2】
Xが−NCSである、請求項1記載のルテニウム錯体。
【請求項3】
Yが−C(R12−であり、R1が、脂肪族基又は芳香族基である、請求項1記載のルテニウム錯体。
【請求項4】
1及びQ2が、それぞれ独立して、ハロゲン、H又は−CNである、請求項1記載のルテニウム錯体。
【請求項5】
mが0である、請求項1記載のルテニウム錯体。
【請求項6】
Yが−C(R12−であり、R1が、脂肪族基又は芳香族基である、請求項2記載のルテニウム錯体。
【請求項7】
1及びQ2が、それぞれ独立して、ハロゲン、H又は−CNである、請求項6記載のルテニウム錯体。
【請求項8】
mが0であり、R2が、H、アルキル基又はアルコキシ基である、請求項7記載のルテニウム錯体。
【請求項9】
以下の式(I−1)又は式(I−2):
【化10】

により表されるルテニウム錯体。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2009−179629(P2009−179629A)
【公開日】平成21年8月13日(2009.8.13)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2009−10614(P2009−10614)
【出願日】平成21年1月21日(2009.1.21)
【出願人】(598062332)エバーライト ユーエスエー、インク (13)
【Fターム(参考)】