用于电化学装置和/或光电装置的化合物制造方法及图纸

本发明专利技术涉及作为染料敏化太阳能电池(DSSC)和其它光电化学装置和/或光电装置的敏化剂的被取代的ullazine及ullazine类似物。敏化剂除了适合于将敏化剂附接到半导体表面上的锚固基团之外，可包括供体取代基和/或受体取代基。基于这种类型的敏化剂的DSSC展示出高的功率转换效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电化学装置和/或光电装置的化合物
本专利技术涉及新颖的化合物、包括该化合物的电化学装置和/或光电装置，涉及化合物作为敏化剂的用途，涉及使半导体表面敏化的方法，并且涉及制造电化学装置和/或光电装置的方法。构成本专利技术的基础的现有技术和问题常规的化石燃料作为能源的用途造成熟知的环境问题，以及在介质中长期存储的问题。为了解决即将来临的能源危机，进行了多种尝试。在可用的可选方案之间，与其它形式的能源相比用于光电池中的太阳能是最不受限制并且环境友好的。硅太阳能电池由于高光点转换效率并且由于发展数十年的成熟的技术的事实而主导光伏商业。然而，硅太阳能电池遭受生产工艺的高成本、昂贵的原材料以及进一步增加电池效率的难度的劣势。染料敏化太阳能电池(DSSC)利用光敏染料分子(敏化剂)和过渡金属氧化物，它们分别执行吸收可见光、产生电子空穴耦合和运输通过光吸收产生的电子的功能。DSSC具有许多优势，诸如，高效率、低生产成本、在制造过程中低能量消耗和环境友好生产。例如，在低光条件下，DSSC执行比基于硅的技术高的效率。这些性能在光伏商业中给予这些电池高的前景。在1991年，PolytechniqueFédéraledeLausanne的MichaelGratzel教授在这些电池中发展了技术突破。从那时以来DSSC逐渐变成太阳能领域中的高度感兴趣的研究课题(Nature1991，353，737)。到目前为止，具有高效率的DSSC通常利用含有贵金属的敏化剂，例如，如在联吡啶钌络合物中的情况(J.Am.Chem.Soc.2005,127,16835-16847)。然而，这样的络合物的实践应用被贵金属的高价格及其有限资源限制。与联吡啶钌络合物相比，有机染料显示出一些优势，诸如，低成本、高消光系数和易于修饰结构的可能性。近期，在DSSC领域中，做出了用有机染料替换钌染料的努力(J.Am.Chem.Soc.2006,128,16701-16707)。具体地，本专利技术解决了提供具有低生产成本和高稳定性的新染料的目标，产生增强的太阳能至电力转换的装置。此外，更一般的目标是提供新的发色团和/或敏化染料芯结构，其适合于进一步修改和改进，例如，通过使用在敏化剂芯结构上的选定的受体和供体取代基。以这种方式，染料的性能可有利地被调节，例如以使被吸收和转化成电力并且根据选择的电解质的光子最大化。本专利技术的目标还有提供可与可用作配体部分的取代基结合的发色团和/或染料芯结构。这将使这样的生色团还能够在如以上详细描述的基于过渡金属的络合物中使用。有利地，提供可被用于任何染料敏化太阳能电池类型(基于溶剂和/或离子液体的湿电池和固态电池)中的生色团，其可被用作有机敏化剂，但是其还可在多吡啶配体上被取代以被用作基于金属的络合物中的配位配体。专利技术人知道以下现有技术参考文献，然而，这些参考文献不涉及构成本专利技术的基础的概念，但是可提供背景信息。Gerson和Metzger，1983，Helv.Chim.Acta，66，7，第200期，2031-2043；Balli和Zeller，1983，Helv.Chim.Acta，66，7，第210期，2135-2139；Org.Lett.，2005，7，第24期，5453-5456；A.Juris，V.Balzani，F.Barigelletti，S.Campagna，P.Belser，A.vonZelewsky，Coord.Chem.Rev.，1988，84，85；Tominaga，Y.Article:ScienceofSynthesis(2004)，17，1025-1079；以及JP2003327549。专利技术概述本专利技术公开了一系列新颖的敏化剂。显著地，本专利技术人发现包括形成杂原子的16π-电子环体系的四个稠环的芯结构，其可用作染料敏化太阳能电池(DSSC)的染料。16π-电子环体系形成不同的芯结构，所述不同的芯结构可被用于有机染料的制备，但是还可被进一步官能化以便可用在基于过渡金属络合物的染料中。包括染料作为光吸收层的一部分的DSSC产生惊人地高的功率转换效率(η)。在一个方面中，本专利技术提供包括取代的16π-电子环体系和/或由取代的16π-电子环体系组成的化合物，该取代的16π-电子环体系包括四个邻近稠合的环，所述环体系包括至少一个氮杂原子。在一个方面中，本专利技术提供包括根据以下式(I)至(VIII)中任一个的结构的化合物：其中原子X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9在存在的情况下，全部是碳原子，或者一个原子可独立地是氮并且其它原子是碳；如果任何一个X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9在存在的情况下，是氮，则相应的取代基(分别地，R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9)不存在；Y独立地选自O、S、Se、SiR10R11和NR10；R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9在存在的情况下，独立地选自H和包括0至20个杂原子的C1至C40烃类，以及包括1至20个杂原子的C0至C40烃类；条件是R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9中的至少一个包括锚固基团；并且，R10和R11独立地选自H和包括0至20个杂原子的C1至C40烃类。在另一个方面中，本专利技术提供了根据以下式(IX)至(XVII)中任一个的化合物：其中R1至R10中的任一个和Y在存在的情况下，是独立地如以上所定义的，其中，在式(XV)的化合物中，Y优选是O、S、Se和NR10。在另一个方面中，本专利技术提供包括本专利技术的化合物的电化学装置和/或光电装置。在一个方面中，本专利技术提供了包括半导体表面和被吸附在所述表面上的本专利技术的化合物的电化学装置和/或光电装置。在另一个方面中，本专利技术提供了本专利技术的化合物作为敏化剂和/或敏化染料的用途。在另一个方面中，本专利技术提供了制造包括半导体表面的电化学装置和/或光电装置的方法，该方法包括使本专利技术的化合物吸附到所述半导体表面上的步骤。在一个方面中，本专利技术涉及使半导体表面敏化的方法，该方法包括将本专利技术的化合物施用到所述半导体表面的步骤。在一个方面中，本专利技术提供了如本文所公开的被取代的ullazine(U-1)和被取代的ullazine类似物(U-2至U-44)作为染料和/或敏化剂的用途，特别是作为用于染料敏化太阳能电池和其它光电化学装置的染料和/或敏化剂的用途。本专利技术的另外的方面和优选的实施方式在以下本文和在所附权利要求中被界定。对于技术人员来说，本专利技术的另外的特征和优势将从以下给出的优选的实施方式的描述中变得明显。附图简述图1示意性地表示根据本专利技术的优选实施方式的用于合成染料9的合成路线。图2显示了根据本专利技术的另外的优选的实施方式的染料10和染料11。图3显示了根据本专利技术的优选实施方式的敏化染料的示例性芯结构U-1至U-12。在图5-1、图5-2、图6-1和图6-2中，“ULA”是指这些芯结构中的任一个，或图4中所示的那些。图4显示了根据本专利技术的优选实施方式的敏化染料的另外的示例性芯结构U-13至U-44。如本说明书中别处定义的，在这些芯结构中Y可选自O、S、Se、SiR10R11和NR10。图5-1和图5-2显示了被连接到如ULA所表示的任何一个芯结构的示例性供体取代基。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电化学和/或光电装置，包括一种化合物，所述化合物是被取代的16π‑电子环体系，所述环体系包括四个邻近稠合的环，所述环体系还包括至少一个氮杂原子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光电化学和/或光电装置，包括一种化合物，所述化合物是被取代的16π-电子环体系，其中所述被取代的16π-电子环体系包括四个邻近稠合的环、至少一个氮杂原子和至少一个取代基，所述至少一个取代基包括适合于将所述化合物锚固到半导体的表面上的锚固基团。2.如权利要求1所述的装置，其中在所述化合物中，所述四个邻近稠合的环中的两个各自具有与所述四个邻近稠合的环中的两个其它环中的每个共有的键和/或两个原子，所述两个其它环各自具有与所述四个邻近稠合的环中的其它三个环中的每个共有的键和/或两个原子。3.如权利要求1所述的装置，其中所述被取代的16π-电子环体系包括至少一个供体取代基，所述供体取代基包括供电子基团，使得所述供体取代基能够将电子转移到所述被取代的16π-电子环体系。4.如权利要求1所述的装置，其中所述被取代的16π-电子环体系包括至少一个受体取代基，所述受体取代基包括电子接受基团，使得所述受体取代基能够从所述被取代的16π-电子环体系吸收电子。5.如权利要求1所述的装置，所述装置选自光电池、发光装置、电致变色装置、光电致变色装置、电化学传感器、生物传感器和电化学显示器。6.如权利要求1所述的装置，所述装置是染料敏化太阳能电池。7.如权利要求1所述的装置，包括对电极、电荷转移材料和半导体材料，其中所述被取代的16π-电子环体系被吸附在所述半导体材料的表面上，且其中所述电荷转移材料与所述对电极接触并且与所述半导体材料的所述表面接触。8.如权利要求1所述的装置，其中所述化合物包括根据以下式(I)至式(VIII)中任一个的结构：其中原子X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9在存在的情况下，在式(I)、式(II)、式(IV)、式(VII)或式(VIII)中全部是碳原子，或者在式(I)至式(VIII)中，原子X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9中的一个原子独立地是氮并且其它原子是碳；如果任何一个X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9在存在的情况下，是氮，则相应的取代基R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9不存在；Y独立地选自O、S、Se、SiR10R11和NR10；R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9在存在的情况下，独立地选自H和包括0至20个杂原子的C1至C40烃类，以及包括1至20个杂原子的C0至C40烃类；条件是R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9中的至少一个包括锚固基团；并且，R10和R11独立地选自H和包括0至20个杂原子的C1至C40烃类。9.如权利要求1或8所述的装置，其中所述锚固基团选自-COOH、-PO3H2、-PO4H2、-PO2HR12、-SO3H2、-SO4H2、-CONHOH-、1,2羟基苯、1-羟基-2-羧基苯、乙酰丙酮化物、前述基团的去质子化形式，以及具有π-传导特征的螯合锚固基团，其中R12是包括1至50个碳和0至25个杂原子的烃。10.如权利要求8所述的装置，其中所述式(I)；式(II)；式(IV)；式(VII)；式(VIII)的化合物分别选自以下式(IX)至(XI)；式(XII)至(XIV)；式(XV)；式(XVI)和式(XVII)的化合物:其中R1至R10中的任一个在存在的情况下，独立地选自H和包括0至20个杂原子的C1至C40烃类，以及包括1至20个杂原子的C0至C40烃类；条件是R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9和R10中的至少一个包括锚固基团；并且Y独立地选自O、S、Se、SiR11R12和NR11，R11和R12独立地选自H和包括0至20个杂原子的C1至C40烃类。11.如权利要求8所述的装置，其中所述取代基R1至R9中的一个或多个在存在的情况下，独立地选自以下式(XVIII)的取代基：其中U，与n无关地，选自≡即亚乙炔基、以及以下式(XIX)的1,2-亚乙基部分即被取代的和未被取代的1,2-亚乙烯基：其中n选自0、以及1至10的整数；其中式(XVIII)和式(XIX)中的虚线代表至所述被取代的16π-电子环体系的外周原子中的一个的单键，或者至以π-共轭的方式连接所述式(XVIII)的取代基与所述被取代的16π-电子环体系的连接体部分；R1选自以下式(XX)、(XXI)和(XXII)的部分：以及另外的-OR8、-SR8、-SeR8、-NR8R9，其中R8和R9独立地选自H以及包括0至20个杂原子的C1至C40烃类；其中式(XX)至(XXII)的结构中的虚线代表单键，取代基R1通过所述单键被连接到部分U的相应的碳，或者，如果n是0，则连接到所述被取代的16π-电子环体系的所述外周原子中的一个，或连接到将所述式(XVIII)的取代基连接到所述被取代的1...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾瑞德·德尔康，迈克尔·格雷泽尔，穆罕默德·哈贾·纳泽鲁丁，
申请(专利权)人：洛桑联邦理工学院，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH