CN101635200A - 一种染料敏化太阳能电池电解质及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池的电解质,公开了一种准固态电解质及其制备方法,(1)按照质量比15~60∶20~80∶2~10∶1~5混合聚合型离子液体、非聚合型离子液体、离子液体交联剂和引发剂,在20~80℃无规共聚得到聚合物凝胶;(2)将聚合物凝胶浸入碘的溶液或碘蒸气中进行碘单质的吸附,制得电解质。本发明将配制好的离子液体单体/离子液体混合物滴在光阳极和Pt电极中间,原位聚合形成准固态聚合物凝胶,浸入碘的溶液或碘蒸气中进行碘单质的吸附,制得太阳能电池用准固态全离子液体电解质,即同时制备了染料敏化太阳能电池。这种方法制备的电解质黏结能力强,易封装,简化了电池组装程序。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池部件及其制备方法,具体涉及一种染料敏化太阳能电池的电解质及其制备方法。
背景技术
电解质是太阳能电池尤其是染料敏化太阳能电池的核心部件,主要起传输氧化还原对的作用,其性能的优劣直接影响太阳能电池效率。染料敏化太阳能电池用电解质存在液态、凝胶、准固态、固态等多种形式(参见:①Dalton.Trans.2008,2655-2666;②Adv.Funct.Mater.2009,19,1-16;③Adv.Funct.Mater.2007,17,2645-2652)。其中液态电解质多以有机溶剂作为电解质,如乙腈、甲氧基丙腈。此类液体电解质存在易挥发、封装难、稳定性差、高毒性等缺点(参见:①Adv.Funct.Mater.2007,17,2645-2652;②Electrochimica Acta,2006,51,4243-4249),Caruso等以N719为染料,0.6M 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide,0.1M LiI,0.05M I2,0.5M叔丁基吡啶的乙腈溶液为电解质,得到光电转化效率为7.2%的染料敏化电池。王鹏等以Z907Na为染料,DMII/EMII/EMITCB/I2/NBB/GNCS(摩尔比:12∶12∶16∶1.67∶3.33∶0.67)为液体电解质,得到光电转化效率为8.2%的染料敏化太阳能电池(100mW/cm2,AM1.5)(参见:Nature Materials.2008,7,626-630)。而固态电池普遍效率低(参见:Adv.Funct.Mater.2007,16,1832-1838),如Liu Bin等以D102为染料,以聚(3-己基噻吩)为空穴传输材料,经Li(N(SO2CF3)2)处理,得到电池效率最高为2.63%(参见:Adv.Mater.2008,20,1-7)。
近年来,由于离子液体具有零蒸气压、电化学窗口宽、耐热稳定性高、电导率高等优点(参见:Acc.Chem.Res.2007,40,1165-1173),成为适用于太阳能用的新型电解质。但离子液体电解质多呈现液态,存在长时间使用出现的渗漏问题,造成电池性能的下降,并对环境产生负面影响。使用准固态电解质的电池的制备步骤一般包括:聚合物的制备,然后使用PC、EC等高沸点有机溶剂溶解聚合物,搅拌成胶状,设置在电极之间,然后加热夹紧封装,因为含有PC、EC等高沸点的有机电解质溶剂,所以也存在易泄漏、封装难的问题。目前,含液态电解质与碳酸酯类准固态类染料敏化太阳能电池的电解质制备和组装灌注程序也较为复杂(参见:①Thin Solid Films,2008,516,4613-4619;②Electrochimica Acta,2006,51,4243-4249),步骤繁琐,成本较高。
发明内容
本发明目的是提供一种制备电解质以及染料敏化太阳能电池的方法。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:一种制备电解质的方法,包括以下步骤:
(1)按照质量比15~60∶20~80∶2~10∶1~5混合聚合型离子液体、非聚合型离子液体、离子液体交联剂和引发剂,在20~80℃反应,无规共聚得到聚合物凝胶;
(2)将聚合物凝胶浸入碘的溶液或碘蒸气中进行碘单质的吸附,制得电解质。
上述技术方案制备得到的电解质为准固态电解质,因为在交联的聚合离子液体体系的网络结构中分布有非聚合型离子液体。
上述技术方案中,所述聚合反应的引发方式为加热、紫外光照或者γ射线引发,加热聚合时反应时间为6~8h,紫外光照引发聚合时反应时间为30~120min,γ射线引发聚合时反应时间为5~20s。
上述技术方案中,步骤(2)中,聚合物凝胶吸附碘单质的吸附量占聚合物凝胶总重的5~30%。
本发明同时要求保护上述方法制备得到的电解质,所述电解质为准固态全离子液体电解质,可以应用在太阳能电池领域。
本发明同时提供了一种制备染料敏化太阳能电池的方法,包括以下步骤:
(1)按照质量比15~60∶20~80∶2~10∶1~5混合聚合型离子液体、非聚合型离子液体、离子液体交联剂和引发剂,配置成溶液;
(2)按常规方法在二氧化钛膜上设置敏化染料层,然后将步骤(1)所得溶液均匀分布在敏化染料层上,然后将铂电极平压盖在敏化染料层上;
(3)在20~80℃反应,原位聚合得到聚合物凝胶,将聚合物凝胶浸入碘的溶液或碘蒸气中进行碘单质的吸附,制得准固态电解质,同时得到染料敏化太阳能电池。
由于上述技术方案运用,本发明与现有技术相比具有下列优点:
(1)本发明制备的准固态全离子液体电解质不仅不易泄漏,而且可以在染料二氧化钛膜上原位聚合得到,简化了料敏化纳米晶太阳能电池的制备、封装过程。
(2)本发明将配制好的离子液体单体/离子液体混合物滴在光阳极和Pt电极中间,原位聚合形成准固态聚合物凝胶,浸入碘的溶液或碘蒸气中进行碘单质的吸附。制得太阳能电池用准固态全离子液体电解质,即同时制备了染料敏化太阳能电池。这种方法制备的电解质黏结能力强,易封装,简化了电池组装程序。
(3)本发明通过引入离子液体交联剂,可以固化电解质,并提高电解质的机械性能和电导率。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述:
实施例一
AIBN0.01g,混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,60℃反应8h,原位聚合成膜。再将其置于0.5mg碘蒸气中,60℃保持3h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为3.0%。
实施例二
AIBN0.02g,混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,80℃反应8h,原位聚合成膜。再将其置于1mg碘蒸气中,60℃保持3h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为3.2%。
实施例三
AIBN0.03g,混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,65℃反应7h,原位聚合成膜。再将其置于1mg碘蒸气中,70℃保持2h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为2.8%。
实施例四
AIBN0.03g,混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,65℃反应7h,原位聚合成膜。再将其置于2mg碘蒸气中,70℃保持2h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为3.4%。
实施例五
AIBN0.03g,混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,65℃反应7h,原位聚合成膜。再将其置于0.5mg碘蒸气中,70℃保持2h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为3.2%。
实施例六
安息香乙醚0.03g,混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,紫外光照(波长240nm-380nm)30min,原位聚合成膜。再将其置于0.2mg碘蒸气中,50℃保持4h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为2.9%。
实施例七
混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,紫外光照(波长240nm-380nm)40min,原位聚合成膜。再将其置于0.3mg碘蒸气中,50℃保持4h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为2.7%。
实施例八
安息香乙醚0.04g,混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,紫外光照(波长240nm-380nm)50min,原位聚合成膜。再将其置于0.1mg碘蒸气中,50℃保持4h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为2.8%。
实施例九
混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,紫外光照(波长240nm-380nm)1h,原位聚合成膜。再将其置于3mg碘蒸气中,65℃保持3h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为3.0%。
实施例十
安息香乙醚0.05g,混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,紫外光照(波长240nm-380nm)1.5h,原位聚合成膜。再将其置于4mg碘蒸气中,65℃保持2h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为2.8%。
实施例十一
混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,紫外光照(波长240nm-380nm)1.5h,原位聚合成膜。再将其置于5mg碘蒸气中,65℃保持3h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为2.3%。
实施例十二
安息香乙醚0.04g,混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,紫外光照(波长240nm-380nm)1h,原位聚合成膜。再将其置于1.5mg碘蒸气中,65℃保持4h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为2.9%。
实施例十三
安息香乙醚0.03g,混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,紫外光照(波长240nm-380nm)100min,原位聚合成膜。再将其置于2mg碘蒸气中,65℃保持5h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为3.0%。
实施例十四
混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,紫外光照(波长240nm-380nm)1h,原位聚合成膜。再将其置于1.5mg碘蒸气中,65℃保持6h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为3.5%。
实施例十五
混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,γ射线照射5s,原位聚合成膜。再将其置于1mg碘蒸气中,65℃保持2h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为3.7%。
实施例十六
混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,γ射线照射10s,原位聚合成膜。再将其置于3mg碘蒸气中,65℃保持3h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为3.3%。
实施例十七
混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,γ射线照射30s,原位聚合成膜。再将其置于2.5mg碘蒸气中,65℃保持5h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为3.6%。
实施例十八
安息香乙醚0.02g,混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,紫外光照(波长240nm-380nm)1h,原位聚合成膜。再将其置于6mg碘蒸气中,65℃保持2h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为3.2%。
实施例十九
安息香乙醚0.03g,混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,紫外光照(波长240nm-380nm)1h,原位聚合成膜。再将其置于10mg碘蒸气中,65℃保持2h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为3.4%。
实施例二十
混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,γ射线照射20s,原位聚合成膜。再将其置于8mg碘蒸气中,65℃保持2h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为2.6%。
实施例二十一
安息香乙醚0.03g,混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,紫外光照(波长240nm-380nm)1h,原位聚合成膜。再将其置于1.5mg碘蒸气中,65℃保持3h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为3.8%。
实施例二十二
安息香乙醚0.03g,混合均匀,滴数滴在染料二氧化钛膜上,压上Pt电极,紫外光照(波长240nm-380nm)1h,原位聚合成膜。再将其置于2mg碘蒸气中,65℃保持3h。即制备了染料敏化太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为3.1%。
实施例二十三
Claims (9)
1.一种电解质的制备方法,包括以下步骤:
(1)按照质量比15~60∶20~80∶2~10∶1~5混合聚合型离子液体、非聚合型离子液体、离子液体交联剂和引发剂,在20~80℃反应,无规共聚得到聚合物凝胶;
(2)将聚合物凝胶浸入碘的溶液或碘蒸气中进行碘单质的吸附,制得聚电解质。
6.根据权利要求1所述电解质的制备方法,其特征在于,所述聚合反应的引发方式为加热、紫外光照或者γ射线引发。
7.根据权利要求1所述电解质的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,准固态聚合物凝胶吸附碘单质的吸附量占准固态聚合物凝胶总重的5~30%。
8.权利要求1所述电解质的制备方法得到的准固态电解质。
9.一种制备染料敏化太阳能电池的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)按照质量比15~60∶20~80∶2~10∶1~5混合聚合型离子液体、非聚合型离子液体、离子液体交联剂和引发剂,配置成溶液;
(2)按常规方法在二氧化钛膜上设置敏化染料层,然后将步骤(1)所得溶液均匀分布在敏化染料层上,然后将铂电极平压盖在敏化染料层上;
(3)在20~80℃反应,原位聚合得聚合物凝胶,将聚合物凝胶浸入碘的溶液或碘蒸气中进行碘单质的吸附,制得电解质,同时得到染料敏化太阳能电池。
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