含有苯並噻二唑發色團的新型有機染料及其製造方法
2023-05-24 16:44:01 6
專利名稱：含有苯並噻二唑發色團的新型有機染料及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種具有高的光電池性能和優異的穩定性、用於染料敏化太陽能電池 (dye-sensitized solar cell, DSSC)的含有苯並噻二唑發色團的新型有機染料及其製造方法。
背景技術：
1991年瑞士國立洛桑高等技術學院(EPFL)的麥可格萊才爾(Michael Gratzel)的研究小組開發了染料敏化納米粒子氧化鈦太陽能電池後，進行了很多關於該領域的研究。染料敏化太陽能電池相比於現有的矽系太陽能電池效率高，製造成本顯著低，因此，具有能夠代替現有的非晶質矽系太陽能電池的可能性，並且，與矽系太陽能電池不同， 染料敏化太陽能電池是以能夠通過吸收可見光而生成電子-空穴(hole)對的染料分子和傳遞所生成的電子的過渡金屬氧化物作為主要組成材料的光電化學太陽能電池。作為用於染料敏化太陽能電池的染料而廣泛使用的是顯示出10%以上的高光電轉換效率的釕金屬配位化合物，但是該釕金屬配位化合物存在價格太貴並難以精製的缺點ο最近發現，在吸光效率、氧化還原反應穩定性和分子內電荷轉移 (charge-transfer,CT)系吸收的方面表現出優異物性的、不含有金屬的有機染料可以作為能夠代替昂貴的釕金屬配位化合物的太陽能電池用染料來使用，所以對缺少金屬的有機染料的研究正在集中進行。有機染料一般具有通過π -鍵單元連接的電子給體(electron donor) -電子受體 (electron acceptor)殘基的結構。在大部分的有機染料中，胺衍生物起到電子給體的作用，2-氰基丙烯酸或繞丹寧殘基起到電子受體的作用，這兩個部位通過次甲基單元或噻吩鏈等η-鍵體系連接。一般來說，作為電子給體的胺單元的結構變化會帶來電子特性的變化，例如獲得向藍色側位移(shift)的吸收光譜，可以通過改變η-鍵長度，來調節吸收光譜和氧化還原電位(redox potential)。但是，目前已知的大部分的有機染料在可見光藍色區域具有具有陡而窄的吸收帶，從而導致光捕獲能力的減少，具有熱穩定性和光穩定性比較低的缺點。因此，為了開發具有高的光電池性能和提高了的穩定性的有機染料而努力的結果，公開了在有機骨架內含有非平面性的雙-二甲基芴氨基殘基和雙噻吩或三噻吩單元的有機染料，根據報告，該染料在使用沒有溶劑的離子性液體電解質時，表現出7%的顯著高的光電轉換效率。另外，報告了進一步在交聯性骨架上引入苯並噻二唑之類的低帶隙發色團，從而進一步提高上述體系的光電池性能，在紅色區域能夠表現出提高了的光譜反應。但是，在這種情況下，雖然在沒有溶劑的條件下使用離子性液體電解質能夠達到高的光電轉換效率，但由於洩漏等導致仍然不能滿足長期穩定性，因此，一直在努力開發具有高光電轉換效率、且長期穩定性優異的有機染料。
發明內容
技術問題因此，本發明的目的在於提供一種相比於以往的金屬配位化合物染料和有機染料具有更高的光電池性能和優異的穩定性，從而能夠大幅度提高太陽能電池的效率的有機染料及其製造方法。另外，本發明的目的在於提供通過含有上述染料而表現出顯著提高了的光電轉換效率、Js。(短路光電流密度，short circuit photocurrent density)和摩爾吸光係數優異的染料增感光電轉換元件、以及效率顯著提高了的太陽能電池。技術方案為了達到上述目的，本發明提供一種由下述化學式1 3中任一結構表示的噻吩系染料[化學式1]
權利要求
1. 一種噻吩系染料，其特徵在於，由下述化學式1 3中任一結構表示， 化學式1
2.根據權利要求1所述的噻吩系染料，其中，所述R1為
3.根據權利要求1所述的噻吩系染料，其中，所述染料為下述化學式Ia或Ib的化合物，化學式1a
4. 一種由化學式Ia或Ib表示的染料的製造方法，其特徵在於，包括 (1)使下述化學式8的化合物與錫烷基噻吩或2- (3-己基噻吩-2-基)-4，4，5，5-四甲基[1，3，2] 二氧雜硼烷進行斯泰爾或鈴木偶聯反應，製造下述化學式9a或9b的化合物，(2)在有機溶劑中，使化學式9a或9b的化合物與N-溴代琥珀醯亞胺反應而進行溴化， 製造下述化學式如或4b的化合物，(3)使化學式如或仙的化合物與下述化學式5的化合物進行鈴木偶聯反應，製造下述化學式6a或6b的化合物，(4)通過維爾斯邁爾-哈克反應使化學式6a或6b的化合物進行醛化，製造下述化學式 7a或7b的化合物，(5)在氯仿中，在哌啶存在下，使化學式7a或7b的化合物與氰基乙酸反應， 化學式8
5.根據權利要求4所述的染料的製造方法，其中，所述步驟( 中使用的有機溶劑是乙酸和二氯甲烷的混合物。
6.一種染料增感光電轉換元件，其特徵在於，含有擔載有權利要求1所述的噻吩系染料的氧化物半導體微粒。
7.根據權利要求6所述的染料增感光電轉換元件，其中，在包合物存在下，在所述氧化物半導體微粒上擔載噻吩系染料。
8.根據權利要求7所述的染料增感光電轉換元件，其中，所述氧化物半導體微粒含有二氧化鈦作為必要成分。
9.根據權利要求7所述的染料增感光電轉換元件，其中，所述氧化物半導體微粒的平均粒徑為l_500nm。
10.一種染料敏化太陽能電池，其特徵在於，含有權利要求6所述的染料增感光電轉換元件作為電極。
11.根據權利要求10所述的染料敏化太陽能電池，其中，所述染料敏化太陽能電池通過以下步驟製造在導電性透明基板上塗布氧化鈦糊劑的步驟；將塗布有糊劑的基板進行燒成而形成氧化鈦薄膜的步驟；將形成有氧化鈦薄膜的基板浸漬在溶解有由化學式1、化學式2或化學式3表示的染料的混合溶液中，形成吸附有染料的氧化鈦膜電極的步驟；在其上部設置形成有對電極的第2玻璃基板的步驟；形成貫通第2玻璃基板和對電極的孔的步驟；在所述對電極和所述吸附有染料的氧化鈦膜電極之間設置熱塑性高分子膜，並實施熱壓工序，從而使所述對電極和氧化鈦膜電極接合的步驟；通過所述孔向所述對電極和氧化鈦膜電極之間的熱塑性高分子膜注入電解質的步驟；以及用所述熱塑性高分子進行密封的步驟。
全文摘要
本發明涉及一種含有苯並噻二唑發色團的新型有機染料及其製造方法，本發明的染料化合物具有比以往的染料更高的光電池性能和優異的穩定性，從而用於染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell，DSSC)，能夠大幅度提高電池的效率。
文檔編號C09B29/045GK102245710SQ200980147316
公開日2011年11月16日 申請日期2009年3月23日 優先權日2008年11月25日
發明者李鍾燦, 金點鐘, 高在中 申請人:株式會社東進世美肯, 高麗大學校產學協力團