JP6040243B2 - 色素増感太陽電池のための添加剤 - Google Patents
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Description
I3 −+2e− cb(TiO2)→3I−
から発生する。三ヨウ化物は、相対的に小さなサイズであるため、色素層を横切るか、または色素が完全には被覆できない、つまりTiO2の表面がむき出しでありおよびレドックス電解質に対して露出されているナノメートルサイズの孔へのアクセスを有するかのいずれかである。
EP 0 986 079 A2には、DSSCにおける電解質のための添加剤としての、−N=C(R1)−を含み、式中R1がアルキル基、シクロアルキル基、アラルキル基、アリール基、複素環式基、アルコキシ基、アリールオキシ基またはアシルアミノ基を表す複素環式化合物が記載されている。
Ra、Rb、Rc、RdおよびReは、互いに独立して、
H、F、Clまたは
任意に部分的に、もしくは完全にフッ素化もしくは塩素化されていてもよい、1〜20個のC原子を有する直鎖状もしくは分枝状アルキル
であり、
nは1、2、3または4であり、
mは1、2、3または4である、
で表される少なくとも1種の化合物の、色素増感太陽電池における添加剤としての使用に関する。
Ra、Rb、Rc、RdおよびReは、特に好ましくはHである。
変数nは、好ましくは1または2である。
変数mは、好ましくは1または2である。
で表される化合物を意味するそれ自体の共役酸
または前記電解質内の種々のプロトン化されたイミダゾール化合物
と組み合わせて使用することができる。
R2’およびR3’はそれぞれ、互いに独立してHまたは1〜20個のC原子を有する直鎖のまたは分枝のアルキルを示し、
R1’およびR4’はそれぞれ、互いに独立して、
1〜20個のC原子を有する直鎖のまたは分枝のアルキル、これは任意に部分的にフッ素化またはパーフッ素化されていてもよい、
2〜20個のC原子および1または2個以上の二重結合を有する直鎖のまたは分枝のアルケニル、これは任意に部分的にフッ素化されていてもよい、
2〜20個のC原子および1または2個以上の三重結合を有する直鎖のまたは分枝のアルキニル、これは任意に部分的にフッ素化されていてもよい、
を示す、
から選択される、少なくとも1種のヨウ化物塩を含む。
プロトン供与体としての酸、好ましくはHI、
無機カチオンおよび1価のアニオンを有する、好ましくはアルカリ金属カチオンまたはアルカリ土類金属カチオンを有し、ヨウ化物、チオシアン酸または任意の他の不活性アニオン、例えばホウ酸アニオン、例えばテトラシアノボレートアニオンを有する塩、
プロトン化アミンを含む塩、例えば互いに独立して1〜4個のC原子を有する直鎖状または分枝状アルキルによって置換されており、1〜8個のC原子を有するフッ素化されていないか、部分的にフッ素化されているか、またはパーフルオロ化されている直鎖状もしくは分枝状アルコキシアルキルまたは3〜7個のC原子を有するシクロアルキルであってもよい、イミダゾリウム、1−置換イミダゾリウム、ベンズイミダゾリウムまたは1−置換ベンズイミダゾリウムのヨウ化物塩またはチオシアン酸塩を含む塩、
あるいはグアニジニウム塩、好ましくはグアニジニウムヨージドまたはグアニジニウムチオシアネートを、本発明の少なくとも1種の添加剤を含む電解質配合物に加えてもよい。
好ましいグアニジニウム塩は、グアニジニウムヨージドまたはグアニジニウムチオシアネートである。
プロトン化アミンであるカチオンを有する好ましい塩は、イミダゾリウムヨージド、イミダゾリウムチオシアネート、ベンズイミダゾリウムヨージド、ベンズイミダゾリウムチオシアネート、1−エチルイミダゾリウムヨージド、1−エチルイミダゾリウムチオシアネート、1−ブチルイミダゾリウムヨージドまたは1−ブチルイミダゾリウムチオシアネートである。
a)mmim IおよびemimTCB(1−エチル−3−メチルイミダゾリウム テトラシアノボレート)
b)pmim I(1−プロピル−3−メチルイミダゾリウムヨージド)およびemim TCB
c)mmim I、amim IおよびemimTCB
d)mmim I、emim Iおよびemim TCB
e)mmim I、グアニジニウムヨージドおよびemim TCB
g)mmim I、ヨウ化リチウムおよびemim TCB
h)mmim I、リチウムチオシアネートおよびemim TCB
i)mmim I、ヨウ化マグネシウムおよびemim TCB。
j)mmim I、マグネシウムチオシアネートおよびemim TCB。
k)mmim I、イミダゾリウムヨージドおよびemimTCB
m)mmim I、イミダゾリウムヨージド、emimチオシアネートおよびemimTCB
n)mmim I、ベンズイミダゾリウムヨージドおよびemimTCB
o)mmim I、ベンズイミダゾリウムチオシアネートおよびemimTCB
p)mmim I、1−エチルイミダゾリウムチオシアネートおよびemimTCB
q)mmim I、1−エチルイミダゾリウムヨージドおよびemimTCB
s)mmim I、1−ブチルイミダゾリウムチオシアネートおよびemimTCB
t)mmimIおよびemim MFB(1−エチル−3−メチルイミダゾリウムフルオロトリシアノボレート)
u)mmimIおよびemim DDB(1−エチル−3−メチルイミダゾリウムジシアノジフルオロボレート)
v)mmim Iおよびemim MHB(1−エチル−3−メチルイミダゾリウムモノヒドリドトリシアノボレート)。
pmimは1−プロピル−3−メチルイミダゾリウムを意味する。
mmimは1,3−ジメチルイミダゾリウムを意味する。
amimは1−アリル−3−メチルイミダゾリウムを意味する。
1−(2−メトキシエトキシメチル)−1H−イミダゾール、
1−(3,3,4,4,4−ペンタフルオロブチル)−1H−イミダゾール、
1−(3,3,4,4,4−ペンタフルオロブチル)−1,2,4−トリアゾール、
1−(3,3,4,4,4−ペンタフルオロブチル)−1,2,3−トリアゾール、
N−(3,3,4,4,4−ペンタフルオロブチル)−ベンズイミダゾール、
3−イミダゾール−1−イル−プロピルアミン、
1−n−ペンチル−1H−イミダゾール、
1−n−ヘキシル−1H−イミダゾール、
1−n−ヘプチル−1H−イミダゾール、
1−n−オクチル−1H−イミダゾール、
1−n−ノニル−1H−イミダゾール、
1−シクロプロピル−1H−イミダゾール、
1−(シクロペンチル)−1H−イミダゾール、
1−(シクロヘキシル)−1H−イミダゾール、
1−(シクロヘプチル)−1H−イミダゾール、
1−(シクロオクチル)−1H−イミダゾール、
1−(2−アダマンチル)−1H−イミダゾール、
1−イソプロピル−1H−イミダゾール、
1−(2−メチルプロピル)−1H−イミダゾール、
1−(3−メチルブチル)−1H−イミダゾール、
1−(1,1−ジメチルエチル)−1H−イミダゾール、
1−(3,7−ジメチルオクチル)−1H−イミダゾール、
1−(2,2,2−トリフルオロメチル)エチル−1H−イミダゾール
1−(3−プロピルヘプチル)−1H−イミダゾール、
2−メチル−1H−イミダゾール、
4,5−ジメチル−1H−イミダゾール、
4,5−ジシアノ−1H−イミダゾール、
2−メチル−4−ニトロ−1H−イミダゾール、
1−メチル−2−メルカプトイミダゾール、
2−フェニル−イミダゾール、
4−フェニル−イミダゾール、
1−(トリメチルシリルメチル)−1H−イミダゾール、
1−(2−シアノエチル)−1H−イミダゾール、
1H−イミダゾール−4,5−ジカルボン酸、
1−(n−ブチル)−4,5−ジメチル−1H−イミダゾール、
2−メチル−1H−ベンズイミダゾール、
2−ヒドロキシ−1H−ベンズイミダゾール、
5,6−ジメチル−1H−ベンズイミダゾール、
5−ニトロ−1H−ベンズイミダゾール、
1−(4−メトキシフェニル)−1H−イミダゾール、
1−(4−シアノフェニル)−1H−イミダゾール、
1−(2,3,4,5,6−ペンタフルオロフェニル)−1H−イミダゾール、
1−(1−メトキシエトキシ)メチルベンズイミダゾール、
1−(2−エトキシエチル)ベンズイミダゾール
1−ブチル−1H−ベンゾトリアゾール、
1−(2−メトキシ−エチル)−1H−ベンゾトリアゾール、
9−ブチル−9H−プリン、
1−n−ブチル−6−アザインドール、
1−(2−メトキシエチル)−6−アザインドール、
4,5,6,7−テトラヒドロ−1H−ベンズイミダゾール、
1−ブチル−4,5,6,7−テトラヒドロ−1H−ベンズイミダゾール、
4,5,6,7−テトラヒドロ−1H−ベンゾトリアゾール、
1−ブチル−4,5,6,7−テトラヒドロ−1H−ベンゾトリアゾール、
1−(2’,2’,6’,6’−テトラメチルピペリジノ)イミダゾール
1,4−ジ−(1−イミダゾール)ブタン、
ジ−(1−イミダゾール)メタン、
ジ−(1−イミダゾールメチル)スルフィド、
1−メトキシエチルインダゾール、
1−n−ブチルピラゾール、
1−(2−メトキシエチル)ピラゾール。
1−(2−エトキシエチル)ピラゾール
1−(2−エトキシエチル)−1,2,4−トリアゾール、
1−n−ブチルインダゾール、
2、2’−ビイミダゾール、
4,4’,5,5’−テトラメチル−2,2’−ビイミダゾール。
したがって、本発明は、本発明の別の観点において、1−(2’−チオエチル)エチルイミダゾールの色素増感太陽電池中の添加剤としての使用に関する。
したがって、本発明は、少なくとも1−(2’−チオエチル)エチルイミダゾールをレドックス活性種と一緒に含む電解質配合物に関する。
それゆえ本発明はさらに、本明細書中に記載されるまたは好ましく記載される式Iで表される少なくとも1種の化合物を含む色素増感太陽電池に関する。
D102(CAS番号 652145−28−3)、D−149(CAS番号 786643−20−7)、D205(CAS番号 936336−21−9)、D358(CAS番号 1207638−53−6) T. Bessho et al, Angew. Chem. Int. Ed. Vol 49, 37, 6646-6649, 2010に記載されるYD−2、Y123(CAS番号 1312465−92−1)、ビピリジン−ルテニウム色素、例えばN3(CAS番号 141460−19−7)、N719(CAS番号 207347−46−4)、Z907(CAS番号 502693−09−6)、C101(CAS番号 1048964−93−7)、C106(CAS番号 1152310−69−4)、K19(CAS番号 847665−45−6)、SK−1 (CAS番号906061−30−1)またはターピリジン−ルテニウム色素、例えばN749(CAS番号 359415−47−7)などの有機色素である。
非常に特に好ましい色素は、Z907またはZ907Naである。
本発明の好ましい態様によると、半導体は、Si、TiO2、SnO2、Fe2O3、WO3、ZnO、Nb2O5、CdS、ZnS、PbS、Bi2S3、CdSe、GaP、InP、GaAs、CdTe、CuInS2、および/またはCuInSe2の群から選択される金属に基づく。好ましくは、半導体は、メソ多孔性の表面を有し、それゆえ色素により任意に被覆されおよび電解質に接触する表面を増加させる。好ましくは、半導体はガラス支持体またはプラスチックまたは金属ホイル上に存在する。好ましくは、支持体は伝導性である。
ステップ1)反応混合物中の沈降した塩基および塩を濾別する、
ステップ2)溶媒を濾過した溶液から減圧下で蒸発させる、
ステップ3)置換された生成物をカラムクロマトグラフィー、蒸留または再結晶によって精製する。
溶媒、例えば非プロトン性、高極性、中間高沸点有機媒体、例えばDMF(N,N−ジメチルホルムアミド)、DMSO(ジメチルスルホキシド)、DMI(1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン)、DBU(ジアザビシクロウンデセン)、好ましくはDMFを、使用するものとする。
反応温度は、100〜180℃、好ましくは120〜140℃の範囲内にある。
反応時間は、したがって1〜30分、好ましくは3〜20分の範囲内にある。
融点の実験は、METTLER TOLEDO FP90 Central ProcessorおよびFP81HT MBC Cell上で実行された。
N−アルコキシアルキルイミダゾールの合成:
イミダゾールの溶液に、2.0〜3.0当量の塩基を加え、激しく撹拌しながらそれらと混合する。次に、溶媒に溶解した1当量のアルコキシアルキルハロゲン化物の溶液を滴加し、混合物を、200〜400Wの電力で作動するフードの下に配置した電子レンジ中で3〜20分間照射する。反応混合物中の塩基の固体を、室温に冷却した後に濾別し、次に溶媒を減圧下で蒸発させる。濃縮された残留物を、シリカゲル短カラムクロマトグラフィーの後に蒸留または再結晶によって精製する。
以下の化合物を、上に述べたプロセスに従って合成する。
92%の収率における1−(2−メトキシエチル)−1H−イミダゾール。
以下の電解質配合物を合成して、emim TCBを含む本発明の電解質配合物の色素増感太陽電池における適用を例証する。
以下の電解質配合物を使用する:
I2 2.5%、mmimI 43.4%、guaSCN 0.7%、emimTCB 50.4%、以下に詳細に記載する添加剤 w/wにおいて3%。
電解質1 1−(2−エトキシエチル)−1H−イミダゾール
電解質2 1−(2−メトキシエチル)−1H−イミダゾール
電解質3 1−(メトキシメチル)−1H−イミダゾール
電解質4 1−(エトキシメチル)−1H−イミダゾール
電解質5 イミダゾール
電解質6 1−メチル−1H−イミダゾール
電解質7 1−(n−ブチル)−1H−イミダゾール。
光電流−電圧曲線の測定を、1Sun照明下で25℃へと冷却された黒色平板上に配置されたデバイスに対して実行する。4mm×4mmの光マスクを製造されたデバイスの最上部に配置し、光投射領域を定義する。
VOC=開回路電圧
FF=曲線因子
η=電力変換効率
以下の電解質配合物を合成して、1−ブチル−1−メチルイミダゾリウムモノメチルシアノボレートを含む本発明の電解質配合物の色素増感太陽電池における適用を例証する。
色素増感太陽電池を例Aに従って製作し、測定を例Aに従って行った。
I2 1.3
mmim I 35
guaSCN 0.7
1−(2−エトキシエチル)−1H−イミダゾール 3.0
bmimモノメチルシアノボレート 60
合計 100
I2 1.3
mmim I 35
guaSCN 0.7
1−(3,3,4,4,4−ペンタフルオロブチル)−1H−イミダゾール
3.0
bmimモノメチルシアノボレート 60
合計 100
I2 1.3
mmim I 35
guaSCN 0.7
1−(2’−チオエチル)エチル−イミダゾール 3.0
bmimモノメチルシアノボレート 60
合計 100
VOC=開回路電圧
FF=曲線因子
η=電力変換効率
以下の電解質配合物を合成して、本発明の電解質配合物の、1−エチル−1−メチルイミダゾリウムモノヒドリドトリシアノボレートを含むN−ブチルベンズイミダゾールを有する電解質配合物に対する、色素増感太陽電池における適用を例証する。
色素増感太陽電池を、例Aにおいて開示したようにZ907を使用して、および同様に色素C106/DINHOPを使用して、および色素SK−1を使用して製作し、測定する。
電解質配合物を、重量%において以下に列挙したコンポーネントを混合することによって調製する。
I2 1.45
mmim I 35.54
guaSCN 0.68
emim モノヒドリドトリシアノボレート 59.22
NBB 3.11
合計 100
I2 1.47
mmim I 35.85
guaSCN 0.68
1−(2−メトキシエチル)−1H−イミダゾール 2.25
emim モノヒドリドトリシアノボレート 59.75
合計 100
I2 1.47
mmim I 35.94
guaSCN 0.69
1−メトキシメチル−1H−イミダゾール 2.0
emim モノヒドリドトリシアノボレート 59.9
合計 100
I2 1.44
mmim I 35.27
guaSCN 0.67
1−(3,3,4,4,4−ペンタフルオロブチル)−1H−イミダゾール
3.82
emim モノヒドリドトリシアノボレート 58.79
合計 100
示すことができるように、添加剤1−(3,3,4,4,4−ペンタフルオロブチル)−1H−イミダゾールは、NBBと比較して等しいかまたは高い効率を与える。
以下の電解質配合物を合成して、emim TCBを含む本発明の電解質配合物の色素増感太陽電池における適用を例証する。
添加濃度を、組成物の基本混合物に加えて各電解質15〜20について0.25Mに固定する:
I2 2.5%、mmimI 51.5%、guaSCN 1.0%、emimTCB 45%。
電解質15 添加剤なし−基本混合物
電解質16 NBB
電解質17 1−(3,3,4,4,4−ペンタフルオロブチル)−1H−イミダゾール
電解質18 1−(3,3,4,4,4−ペンタフルオロブチル)−1,2,4−トリアゾール
電解質19 1−(3,3,4,4,4−ペンタフルオロブチル)−1,2,3−トリアゾール
電解質20 N−(3,3,4,4,4−ペンタフルオロブチル)−ベンズイミダゾール。
表4は、上記で引用した電解質配合物15〜20の測定の結果を要約する:
Claims (14)
- レドックス活性種を含む、色素増感太陽電池用の電解質配合物における、
式I
Ra、Rb、Rc、RdおよびReは、互いに独立して、
H、F、Clまたは
任意に部分的に、もしくは完全にフッ素化もしくは塩素化されていてもよい、1〜20個のC原子を有する直鎖状もしくは分枝状アルキルであり、
nは1、2、3または4であり、
mは1、2、3または4である、
で表される少なくとも1種の化合物の添加剤としての使用。 - 少なくとも1種の式Iで表される化合物中のRa、Rb、Rc、RdおよびReが互いに独立してHまたはFである、請求項1に記載の使用。
- 少なくとも1種の式Iで表される化合物中のRa、Rb、Rc、RdおよびReがHである、請求項1または2に記載の使用。
- 少なくとも1種の請求項1〜3のいずれか一項に記載の式Iで表される化合物をレドックス活性種と一緒に含む、色素増感太陽電池用の電解質配合物。
- レドックス活性種が、ヨウ素および少なくとも1種のヨウ化物塩のレドックス対である、請求項4に記載の電解質配合物。
- 少なくとも1種の式Iで表される化合物を0.01〜30重量%の濃度において含む、請求項5に記載の電解質配合物。
- テトラシアノボレートアニオン、ジシアノジフルオロボレートアニオンおよび/またはフルオロトリシアノボレートアニオンを有する少なくとも1種の化合物を含む、請求項4〜6のいずれか一項に記載の電解質配合物。
- ヨウ化物またはチオシアン酸アニオンを有する少なくとも1種の塩を含み、そのカチオンが無機カチオン、グアニジニウムカチオンまたはプロトン化アミンである、請求項4〜7のいずれか一項に記載の電解質配合物。
- ヨウ化物またはチオシアン酸アニオンを有する少なくとも1種の塩を含み、そのカチオンがプロトン化アミンである、請求項8に記載の電解質配合物。
- 色素増感電極を含み、少なくとも1種の請求項1〜3のいずれか一項に記載の式Iで表される化合物およびレドックス活性種を含む電解質配合物を含む、色素増感太陽電池。
- レドックス活性種を含む、色素増感太陽電池用の電解質配合物における、1−(3,3,4,4,4−ペンタフルオロブチル)−1H−イミダゾールまたは1−(3,3,4,4,4−ペンタフルオロブチル)−1,2,3−トリアゾールの添加剤としての使用。
- 少なくとも1−(3,3,4,4,4−ペンタフルオロブチル)−1H−イミダゾールまたは1−(3,3,4,4,4−ペンタフルオロブチル)−1,2,3−トリアゾールをレドックス活性種と一緒に含む、色素増感太陽電池用の電解質配合物。
- レドックス活性種を含む、色素増感太陽電池用の電解質配合物における、1−(2’−チオエチル)エチルイミダゾールの添加剤としての使用。
- 少なくとも1−(2’−チオエチル)エチルイミダゾールをレドックス活性種と一緒に含む、色素増感太陽電池用の電解質配合物。
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---|---|---|---|
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