새로운 염료감응 태양전지용 포피린 유도체의 합성과 특성연구
Synthesis and Properties of Novel Porphyrin Derivatives for Dye-sensitized Solar Cell
초록/요약
좋은 전자주개(electron donor)이며 가시광선 영역의 빛을 잘 흡수하는 포피린(porphyrin)의 성질에 착안하여 포피린을 포함하는 유도체들을 합성하였다. 고효율의 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell)용 포피린 염료의 합성을 위하여 순수 유기물 염료인 목표화합물 1과 루테늄계 염료인 목표화합물 2를 합성하고자 하였다. 목표화합물 1은 중심금속으로 아연(II)을 가진 한 쌍의 포피린(porphyrin)과 엥커링그룹(anchoring group)을 연결시키기 위하여 가교(bridge)역할의 물질로 트리페닐아민(triphenylamine)이 배치된 구조이다. 이러한 목표화합물 1을 총 9단계를 거쳐 성공적으로 합성하였고, ^(1)H-NMR, MALDI-TOF Mass 스펙트럼 등을 통하여 합성을 확인 하였다. 또한 자외선-가시광선(UV/Vis) 분광법을 이용하여 분광학적 특성을 측정하였으며 목표화합물 1을 이용한 태양전지(solar cell)를 제작하여 이미 널리 알려진 염료인 N-719와 비교하여 광전변환 효율을 측정하였다. 루테늄계 염료인 목표화합물 2는 bipyridine 화합물에 중심금속으로 아연(II)을 가지는 포피린을 양쪽으로 도입하여 루테늄과 포피린의 융합을 시도하였다. 총 11단계의 합성과정 중 시간의 제약으로 인하여 10단계의 합성을 성공적으로 수행하였으며, 합성된 화합물들의 물리적 성질과 분광학적 데이터를 수집하고 기록하였다.
more초록/요약
광유도 전하이동(photoinduced electrontransfer)현상을 연구하기 위하여 산화 환원 전위가 각각 다른 서브프탈로시아닌(subphthalocyanine, SubPc), 트리페닐아민(triphenylamine, TPA), 그리고 아연 포피린(zinc-porphyrin, Zn-Por)으로 구성된 트리오드(triad) SubPc - TPA - Zn-Por 화합물 1을 합성하였으며, 전하이동 메커니즘을 규명하기 위하여, 전자주개(electron donor) 성분만으로 이루어진 TPA - Zn-Por 다이오드(dyad) 2 그리고 Zn-Por 3을 합성하였다. 이렇게 합성된 화합물에 대하여 ^(1)H-NMR, 13C-NMR, MALDI-TOF Mass 등의 방법을 통하여 구조를 규명하였고, UV/Vis 분광법, Emission 분광법을 이용해 화합물들의 분광학적 특성과 분자 내 전하 이동 현상을 규명하였다.
more목차
Part A. 새로운 염료감응 태양전지용 포피린 유도체의 합성과 특성연구 = 1
I. 서론 = 2
II. 결과 및 고찰 = 10
1. 2-Cyano-4-benzyl-7-(N-[4,4'-bis(4-((10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine)zinc)stillbenyl)]amino)acrylic acid (1)의 합성 = 10
1) 합성계획 = 10
2) 4-(N-Diphenylamino)benzaldehyde (3)의 합성 = 12
3) 4-(N-[4,4'-Bis(Iodophenyl)]amino)benzaldehyde (4)의 합성 = 13
4) 5-Methylbenzoate-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine (5)의 합성 = 14
5) 5-Benzylalcohol-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine (6)의 합성 = 16
6) 5-Benzaldehyde-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine (7)의 합성 = 17
7) 5-Ethenylbenzene-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine (8)의 합성 = 18
8) 4-(N-[4,4'-Bis(4-(10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine)stillbenyl)]amino)benzaldehyde (9)의 합성 = 19
9) 2-Cyano-4-benzyl-7-(N-[4,4'-bis(4-(10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine)stillbenyl)]amino)acrylic acid (10)의 합성 = 20
10) 2-Cyano-4-benzyl-7-(N-[4,4'-bis(4-((10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine)zinc)stillbenyl)]amino)acrylic acid (1)의 합성 = 21
2. Cis-di(thiocyanato)(4,4′-dicarboxy-2,2′-bipyridine)(4,4′-bis((5-ethenyl- benzene-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine)zinc)-2,2′-bipyridine) ruthenium(II) (2)의 합성 = 23
1) 합성계획 = 23
2) 4,4′-Dicarboxy-2,2′-bipyridine (12)의 합성 = 25
3) 4,4′-Diethoxycarbonyl-2,2′-bipyridine (13)의 합성 = 26
4) 4,4′-Bis(hydroxymethyl)-2,2′-bipyridine (14)의 합성 = 27
5) 4,4′-Bis(boromomethyl)-2,2′-bipyridine (15)의 합성 = 28
6) 4,4′-Bis(diethylmethylphosphonate)-2,2′-bipyridine (16) = 29
7) (5-Benzaldehyde-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine)zinc (17)의 합성 = 30
8) 4,4′-Bis((5-ethenylbenzene-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine)zinc)-2,2′-bipyridine(18)의 합성 = 31
9) Cis-di(thiocyanato)(4,4′-dicarboxy-2,2′-bipyridine)(4,4′-bis((5-ethenyl-benzene-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine)zinc)-2,2′-bipyridine) ruthenium(II) (2)의 합성 = 32
3. 목표 화합물 1의 UV/Vis 스펙트럼에 대한 고찰 = 33
4. 목표화합물 1을 이용한 염료감응 태양전지의 제작 = 34
1) 작업 전극(Working electrode)의 제작 = 34
2) 상대 전극(Counter electrode)의 제작 = 34
3) Sandwich cell 제작 = 35
4) Photocurrent-voltage 측정 = 35
5. 목표화합물 1을 이용한 염료감응 태양전지의 효율에 대한 고찰 = 36
III. 합성과정 = 80
1. 4[N-(4-((10,15,20-Trishexyl-21H,23H-porphine)zinc)phenyl)-N-phenylamino]-phenoxy[subphthalocyaninato]boron (1)의 합성 = 80
1) N-(4-Methoxyphenyl)diphenylamine (4)의 합성 = 80
2) 4-(N-(4-Methoxyphenyl)-N-phenylamino)benzaldehyde (5)의 합성 = 80
3) 5-(4-(N-(4-Methoxyphenyl)-N-phenylamino)benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine (6)의 합성 = 81
4) 5-(4-(N-(4-Hydoxyphenyl)-N-phenylamino)benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine (7)의 합성 = 82
5) Chloro[subphthalocyaninato]boron(III) (8)의 합성 = 82
6) 4-(N-(5-(4-Benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H -porphinyl)-N-phenylamino)phenoxy[subphthalocyaninato]-boron(III) (9)의 합성 = 83
7) 4-(N-((5-(4-Benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphinyl)zinc)-N-phenylamino)phenoxy[subphthalocyaninato]-boron(III) (1)의 합성 = 83
2. (5-(4-(N-Diphenylamino)benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine)zinc (2)의 합성 = 84
1) 4-(N-Diphenylamino)benzaldehyde (10)의 합성 = 84
2) 5-(4-(N-Diphenylamino)benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine (11)의 합성 = 85
3) (5-(4-(N-Diphenylamino)benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine)zinc (2)의 합성 = 86
3. (5,10,15,20-Tetrakishexyl-21H,23H-porphine)zinc (3)의 합성 = 86
1) 5,10,15,20-Tetrakishexyl-21H,23H-porphine (12)의 합성 = 86
2) (5,10,15,20-Tetrakishexyl-21H,23H-porphine)zinc (3)의 합성 = 87
IV. 참고문헌 = 88
Part B. 새로운 서브프탈로시아닌 - 트리페닐아민 - 아연(II)포피린 트리오드 화합물의 합성과 특성연구 = 52
I. 서론 = 53
II. 결과 및 고찰 = 56
1. 4[N-(4-((10,15,20-Trishexyl-21H,23H-porphine)zinc)phenyl)-N-phenylamino]-phenoxy[subphthalocyaninato]boron (1)의 합성 = 56
1) 합성 계획 = 56
2) N-(4-Methoxyphenyl)diphenylamine (4)의 합성 = 57
3) 4-(N-(4-Methoxyphenyl)-N-phenylamino)benzaldehyde (5)의 합성 = 58
4) 5-(4-(N-(4-Methoxyphenyl)-N-phenylamino)benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine (6)의 합성 = 59
5) 5-(4-(N-(4-Hydoxyphenyl)-N-phenylamino)benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine (7)의 합성 = 61
6) Chloro[subphthalocyaninato]boron(III) (8)의 합성 = 62
7) 4-(N-(5-(4-Benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H -porphinyl)-N-phenylamino)phenoxy[subphthalocyaninato]-boron(III) (9)의 합성 = 63
8) 4-(N-((5-(4-Benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphinyl)zinc)-N-phenylamino)phenoxy[subphthalocyaninato]-boron(III) (1)의 합성 = 64
2. (5-(4-(N-Diphenylamino)benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine)zinc (2)의 합성 = 66
1) 합성계획 = 66
2) 4-(N-Diphenylamino)benzaldehyde (10)의 합성 = 67
3) 5-(4-(N-Diphenylamino)benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine (11)의 합성 = 68
4) (5-(4-(N-Diphenylamino)benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine)zinc (2)의 합성 = 69
3. (5,10,15,20-Tetrakishexyl-21H,23H-porphine)zinc (3)의 합성 = 70
1) 합성계획 = 70
2) 5,10,15,20-Tetrakishexyl-21H,23H-porphine (12)의 합성 = 71
3) (5,10,15,20-Tetrakishexyl-21H,23H-porphine)zinc (3)의 합성 = 72
4. 목표화합물 1과 비교 화합물 2, 3의 1H-NMR 스펙트럼에 대한 고찰 = 73
5. 목표화합물 1과 비교 화합물 2, 3의 UV/Vis 스펙트럼에 대한 고찰 = 75
6. 목표화합물 1과 비교 화합물 2, 3의 Emission 스펙트럼에 대한 고찰 = 78
III. 합성과정(experimental procedures) = 80
1. 4[N-(4-((10,15,20-Trishexyl-21H,23H-porphine)zinc)phenyl)-N-phenylamino]-phenoxy[subphthalocyaninato]boron (1)의 합성 = 80
1) N-(4-Methoxyphenyl)diphenylamine (4)의 합성 = 80
2) 4-(N-(4-Methoxyphenyl)-N-phenylamino)benzaldehyde (5)의 합성 = 80
3) 5-(4-(N-(4-Methoxyphenyl)-N-phenylamino)benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine (6)의 합성 = 81
4) 5-(4-(N-(4-Hydoxyphenyl)-N-phenylamino)benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine (7)의 합성 = 82
5) Chloro[subphthalocyaninato]boron(III) (8)의 합성 = 82
6) 4-(N-(5-(4-Benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H -porphinyl)-N-phenylamino)phenoxy[subphthalocyaninato]-boron(III) (9)의 합성 = 83
7) 4-(N-((5-(4-Benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphinyl)zinc)-N-phenylamino)phenoxy[subphthalocyaninato]-boron(III) (1)의 합성 = 83
2. (5-(4-(N-Diphenylamino)benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine)zinc (2)의 합성 = 84
1) 4-(N-Diphenylamino)benzaldehyde (10)의 합성 = 84
2) 5-(4-(N-Diphenylamino)benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine (11)의 합성 = 85
3) (5-(4-(N-Diphenylamino)benzyl)-10,15,20-trishexyl-21H,23H-porphine)zinc (2)의 합성 = 86
3. (5,10,15,20-Tetrakishexyl-21H,23H-porphine)zinc (3)의 합성 = 86
1) 5,10,15,20-Tetrakishexyl-21H,23H-porphine (12)의 합성 = 86
2) (5,10,15,20-Tetrakishexyl-21H,23H-porphine)zinc (3)의 합성 = 87
IV. 참고문헌 = 88
