CN100544054C - 改性聚合物电解质染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法 - Google Patents

改性聚合物电解质染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

改性聚合物电解质染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法：称取一定摩尔比的长链烷基硅烷偶联剂和二氧化硅纳米粒子以及微量水，加入乙醇中并持续搅拌，然后称取PEO和P(VDF-HFP)高分子，共混于PC/DME有机溶剂中，持续搅拌后加入长链烷基硅烷偶联剂/二氧化硅纳米粒子酒精共混液，持续搅拌至混和均匀后，加入氧化还原物质I2/LiI；共混均匀后，在染料敏化纳米晶膜表面滴加长链硅烷偶联剂改性聚合物电解质体系，烘烤，加上镀铂的导电玻璃对电极，持续烘烤至电极间牢固结合即可。能提高开路电压和太阳能电池的效率。

Description

改性聚合物电解质染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明涉及一种功能性硅烷偶联剂改性聚合物固体电解质染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法。
背景技术
染料敏化纳米晶太阳能电池使用液态电解质存在着容易挥发，封装困难和稳定性差等缺点。经实际研究可知：制备高效率固态电解质是解决这些问题的有效途径。
使用高分子聚合物氧化还原固体电解质体系用于染料敏化太阳能电池可以获得较好的效果。但是，聚合物高分子电解质体系的电导率低和高分子电解质与纳米晶和对电极的黏附性差，影响了高聚合物染料敏化纳米晶电池的光电转换效率。另外，染料敏化电池内部的界面电子复合是影响电池性能的重要因素。界面电子复合使得电池的电流和电压降低。本实验室制备的PEO/P(VDF-HFP)型高分子复合电解质所得的电压一般低于0.6V。有效的减小界面复合，将是提高共混高分子染料敏化太阳能电池性能的重要途径。
发明内容
本发明所要解决的问题是针对上述现有技术而提出一种改性聚合物电解质染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法，由该方法所制备的太阳能电池开路电压和效率有较大提高。
本发明为解决上述提出的问题所采用解决方案为：改性聚合物电解质染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法，包括有以下步骤：
1)称取0.1-0.6g十二烷基三甲氧基硅烷偶联剂，分子式：C12H25Si(OCH3)3，简称WD10，加入2-5ml的无水乙醇中，加入0.05-0.3g去离子水，然后加入二氧化硅纳米粒子，偶联剂与二氧化硅纳米粒子摩尔比值为2～4，持续搅拌5-24h.此时，硅烷偶联剂发生了水解，并且和二氧化硅纳米粒子表面羟基发生缩和而偶联至其表面；
2)称取聚氧乙烯PEO和聚四氟乙烯偏六氟丙烯P(VDF-HFP)高分子，其质量比为1：4～4：1，将两者共混于碳酸丙烯酯PC/乙二醇二甲醚DME的有机溶剂中，PEO和P(VDF-HFP)高分子总质量为有机溶剂的质量的2％～10％，其中PC作为高分子体系增塑剂而加入，PC与DME的体积比为1：8～8：1，在60～100℃持续搅拌2～6小时后将步骤1所述共混物加入上述高分子共混物中，二氧化硅纳米粒子作为高分子固体增塑剂，二氧化硅纳米粒子的质量为PEO和P(VDF-HFP)高分子总质量的10～30％，持续搅拌至混和均匀，此时得到高分子/纳米粒子混合液中，硅烷偶联剂除了和二氧化硅纳米粒子表面偶联外，多量的偶联剂还会缩和形成Si-O-Si网络体系；
3)在步骤2所得的改性高分子复合溶液中加入I2/LiI氧化还原电对，常温下搅拌24～48小时至混合均匀，得硅烷偶联改性聚合物电解质体系；
4)在染料敏化纳米晶膜表面滴加步骤3所得的硅烷偶联剂改性聚合物电解质体系，然后在80℃的烘箱内烘烤3～5小时，加上镀铂的导电玻璃对电极，持续烘烤至电极间牢固结合，即可组装成染料敏化纳米晶太阳能电池。
按上述方案，所述的氧化还原电对摩尔比为：I2:LiI＝1:10。
本发明的有益效果在于：
1)本发明提出了一种功能性硅烷偶联分子改性聚合物电解质处理方法，有效的减小界面复合从而提高电池的开路电压，进而提高了聚合物电解质染料敏化纳米晶太阳能电池的效率。
2)由于硅烷偶联WD10有容易水解的Si-OCH3基团，经过水解后可以分子水平组装到二氧化硅纳米粒子表面；并且相邻的硅烷偶联基团之间也可以水解缩和形成Si-O-Si网状结构，这种分子修饰使得改性过的聚合物电解质能够充分地进入纳米晶多孔膜，离子电导率也得到有效提高。本发明所用的硅烷偶联分子含有长链烷基结构(-C12H25)，当聚合物高分子渗入染料敏化的光阳极，界面处的长链烷基可以有效的阻止激发电子同电解质体系复合反应的发生。试验表明经过长链烷基硅烷偶联改性的聚合物染料敏化纳米晶太阳电池开路电压和光电转换效率有较大提高。
具体实施方式
以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1 0.3g硅烷偶联剂WD10加入到PEO/P(VDF-HFP)/纳米SiO2复合体系。
使用0.3g硅烷偶联剂WD10和SiO2纳米粒子(两者摩尔比为3：1)以及微量水在酒精中持续搅拌5-12h后加入PEO/P(VDF-HFP)高分子复合体系。持续搅拌12-24h。加入过程中因为高分子易于凝聚，所以不易太快。
其中PEO与P(VDF-HFP)的质量比为2：3，二氧化硅纳米粒子的质量为PEO和P(VDF-HFP)高分子总质量的10％，在80℃混合于6克的PC/DME(体积比为3：1)的有机溶剂中，高分子占有机溶剂的质量百分比为3％。持续搅拌至混合均匀。
在改性高分子复合溶液中加入I2/LiI氧化还原电对，其摩尔比为：I2:LiI＝1:10。常温下搅拌24～48小时至共混均匀。WD10改性后测得高分子电解质离子电导率为：0.86ms/cm.将经过0.3g硅烷偶联改性的聚合物电解质体系滴加到染料敏化纳米晶膜上，水平放置到烘箱中在80℃的环境下持续烘烤3～5小时，盖上镀铂的对电极，继续烘烤8～12小时至电极间牢固结合。
在室温环境，使用氙灯模拟太阳光，光强为62.5mW/cm2(光强：使用硅光电二极管标定条件下，测得0.3g硅烷偶联剂WD10改性的聚合物电解质染料敏化纳米晶太阳电池(有效光照面积为0.25cm2)的开路电压为0.639V，比未经硅烷偶联改性的聚合物电解质太阳电池开路电压(0.561V)提高了78mV；其光电转换效率为4.36％，比未经硅烷偶联改性的聚合物电解质太阳电池效率(3.498％)提高了约25％。
使用扫描电镜截面分析可知，这种硅烷偶联改性的高分子体系可以较好的渗入染料敏化二氧化钛多孔膜内。制备的改性高分子电解质与未经改性的高分子电解质体系相比更好的黏附了二氧化钛光阳极和铂对电极。
实施例2 0.2g硅烷偶联剂WD10加入到PEO/P(VDF-HFP)/纳米SiO2复合体系。
使用0.2g硅烷偶联剂WD10和SiO2纳米粒子(两者摩尔比为2：1)以及微量水在酒精中持续搅拌5-12h后，加入PEO/P(VDF-HFP)高分子复合体系。持续搅拌12-24h。
其中PEO与P(VDF-HFP)的质量比为1：3，二氧化硅纳米粒子的质量为PEO和P(VDF-HFP)高分子总质量的10％，在80℃混合于6克的PC/DME(体积比为3：1)的有机溶剂中，高分子占有机溶剂的质量百分比为3％。持续搅拌至混合均匀。
在改性高分子复合溶液中加入I2/LiI氧化还原电对，其摩尔比为：I2:LiI＝1:10。常温下搅拌24～48小时至共混均匀。0.2g硅烷偶联改性后测得高分子电解质离子电导率为：0.63mS/cm。将经过0.2g硅烷偶联剂改性的聚合物电解质体系滴加到染料敏化纳米晶膜上，水平放置到烘箱中在80℃的环境下持续烘烤3～5小时，盖上镀铂的对电极，继续烘烤8～12小时至电极间牢固结合。
在室温环境，使用氙灯模拟太阳光，光强为62.5mW/cm2(光强：使用硅光电二极管标定)条件下，测得0.2g硅烷偶联剂WD10改性的聚合物电解质染料敏化纳米晶太阳电池(有效光照面积为0.25cm2)的光电转换效率为3.75％。
实施例3 0.4g硅烷偶联剂WD10加入到PEO/P(VDF-HFP)/纳米SiO2复合体系。
使用0.4g硅烷偶联剂WD10和SiO2纳米粒子(两者摩尔比为4：1)以及微量水在酒精中持续搅拌5-12h后，加入PEO/P(VDF-HFP)高分子复合体系。持续搅拌12-24h。
其中PEO与P(VDF-HFP)的质量比为1：1，二氧化硅纳米粒子的质量为PEO和P(VDF-HFP)高分子总质量的10％，在80℃混合于6克的PC/DME(体积比为3：1)的有机溶剂中，高分子占有机溶剂的质量百分比为5％。持续搅拌至混合均匀。
在改性高分子复合溶液中加入I2/LiI氧化还原电对，其摩尔比为：I2:LiI＝1:10。常温下搅拌24～48小时至共混均匀。硅烷偶联改性后测得高分子电解质离子电导率为：0.69mS/cm.将0.4g硅烷偶联剂改性的聚合物电解质体系滴加到染料敏化纳米晶膜上，水平放置到烘箱中在80℃的环境下持续烘烤3～5小时，盖上镀铂的对电极，继续烘烤8～12小时至电极间牢固结合。
在室温环境，使用氙灯模拟太阳光，光强为62.5mW/cm2(光强：使用硅光电二极管标定)条件下，测得0.4g硅烷偶联剂WD10改性的聚合物电解质染料敏化纳米晶太阳电池(有效光照面积为0.25cm2)的光电转换效率为3.92％。
对比实施例
配制高分子复合电解质体系，PEO与P(VDF-HFP)的质量比为2：3，二氧化硅纳米粒子的质量为PEO和P(VDF-HFP)高分子总质量的10％，溶解于6克的PC/DME(体积比为3：1)，其中高分子占有机溶剂的质量百分比为3％。在80℃混和搅拌均匀。在复合电解质体系中，加入I2/LiI氧化还原电对，其摩尔比为：I2:LiI＝1:10。常温下搅拌24～48小时至共混均匀。
将未经过硅烷偶联剂改性的聚合物电解质体系滴加到染料敏化纳米晶膜上，水平放置到烘箱中在80℃的环境下持续烘烤3～5小时，盖上披铂的对电极，继续烘烤8～12小时至电极间牢固结合。在室温环境，使用氙灯模拟太阳光，光强为62.5mW/cm2，测得未经硅烷偶联剂改性的聚合物电解的聚合物电解质染料敏化纳米晶太阳电池(有效光照面积为0.25cm2)的光电转换效率为3.498％。

Claims (2)

1、改性聚合物电解质染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法，其特征在于包括有以下步骤：
1)称取0.1-0.6g十二烷基三甲氧基硅烷偶联剂，分子式：C12H25Si(OCH3)3，加入2-5ml的无水乙醇中，加入0.05-0.15g去离子水，然后加入二氧化硅纳米粒子，偶联剂与二氧化硅纳米粒子摩尔比值为2～4，持续搅拌5-24h，此时，硅烷偶联剂发生了水解，并且和二氧化硅纳米粒子表面羟基发生缩和而偶联至其表面；
2)称取聚氧乙烯PEO和聚四氟乙烯偏六氟丙烯P(VDF-HFP)高分子，其质量比为1：4～4：1，将两者共混于碳酸丙烯酯PC/乙二醇二甲醚DME的有机溶剂中，PEO和P(VDF-HFP)高分子总质量为有机溶剂的质量的2％～10％，其中PC作为高分子体系增塑剂而加入，PC与DME的体积比为1：8～8：1，在60～100℃持续搅拌2～6小时后将步骤1所述共混物加入上述高分子共混物中，二氧化硅纳米粒子作为高分子固体增塑剂，二氧化硅纳米粒子的质量为PEO和P(VDF-HFP)高分子总质量的10～30％，持续搅拌至混和均匀，此时得到高分子/纳米粒子混合液；
3)在步骤2所得的改性高分子复合溶液中加入I2/LiI氧化还原电对，常温下搅拌24～48小时至混合均匀，得长链烷基硅烷偶联剂改性聚合物电解质体系；
4)在染料敏化纳米晶膜表面滴加步骤3所得的长链烷基硅烷偶联改性聚合物电解质，然后在80℃的烘箱内烘烤3～5小时，加上镀铂的导电玻璃对电极，持续烘烤至电极间牢固结合，即可组装成染料敏化纳米晶太阳能电池。
2、按权利要求1所述的改性聚合物电解质染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法，其特征在于所述的氧化还原电对摩尔比为：I2:LiI＝1:10。
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