CN101719427B - 用于染料敏化太阳能电池的全固态有机合金电解质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于染料敏化太阳能电池的全固态有机合金电解质和制备方法。该电解质由选自丁二腈，新戊二醇，三羟甲基乙烷，季戊四醇，樟脑，咪唑及其衍生物季铵盐，吡啶及其衍生物季铵盐中的两种或三种以上塑晶构成的有机合金材料；和占所述有机合金物质的量的1-5％的碘，1-10％的碘化锂或碘化钾或碘化钠；和占所述有机合金物质的量1-10％的选自甲基乙基咪唑碘、叔丁基吡啶、二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂(LiTFSI)、LiBF4电导盐组成中的一种或多种。本发明制得的电解质熔点高(80℃以上)，且具有与液态电解质相当的电导率，由此电解质制成的染料敏化太阳能电池(DSSCs)具有高的光电转换效率和稳定性。

Description

用于染料敏化太阳能电池的全固态有机合金电解质
技术领域
本发明涉及一种用于太阳能电池等领域的固体电解质和制备方法，尤其涉及一种用于染料敏化太阳能电池(DSSCs)的全固态有机合金电解质及其制备方法。
背景技术
随着化石燃料的不断耗尽及环境污染的日趋严重，人们不得不寻找清洁的且可再生的能源替代目前的能源。太阳能在地球上分布广泛，且取之不尽、用之不竭，是一种真正意义的绿色能源。因此，近年来对太阳能的开发和利用的研究发展尤为迅速。现有的基于无机硅和半导体的光伏电池的价格昂贵，虽然经过几十年的技术和工艺改进，其价格已经下降了很多，但还是超出人们普可接受的范围，且进一步大幅降价已几乎不可能。
染料敏化太阳能电池(DSSCs)是一种新型太阳能电池，与传统硅太阳能电池相比具有光电转换率高、成本低、制作工艺简单等优点。目前电池光电转换效率已提高到约10％，寿命达到20年以上，因此成为近年来国内外研究的热点。
长期以来，液态电解质一直作为DSSCs有效的空穴传输材料。如中国专利CN101261889A公开了一种用于染料敏化太阳能电池的离子液复合电解质，该电解质有胍基阳离子和碘阴离子的a组分和含有碘单质的b组分组成，其中，所述b与a组分的摩尔比是1∶2-1∶20。使用该液态电解质太阳能电池具有较高的光电转换率，但是，使用液态电解质也导致了一系列问题：密封工艺复杂、容易漏液、电池的形状设计受限等。这些都导致了太阳能电池不稳定、使用寿命短，使DSSCs的实用化受到限制。为了克服这些问题，人们提出了用固态电解质或凝胶电解质来代替液态电解质作为DSSCs的空穴传输材料。如中国专利CN101183727A公开了一种全固态电解质，该电解质由锂盐、聚环氧乙烷和超细粉填料组成，虽然该固态电解质克服了液态电解质容易泄露、不宜成型的不足，但是该固态电解质电导率低，并且太阳能电池光电转换效率相对较低，使得该固态电解质很难在染料敏化太阳能电池上应用。中国专利CN101354967A公开了一种用于染料光敏化太阳能电池的准固态电解质及其制备方法，该电解质是由α-氰基丙烯酸酯、交联剂、碘盐、碘、改性剂、增塑剂和有机溶剂混合构成。所制得的电解质具有较高的离子传导率。但是，该方法使用了多种添加剂，制备工艺复杂，且制得的电解质常温下只能称为准固态，熔点较低，不利于在固体染料光敏化太阳能电池中应用。
发明内容：
本发明的目的就是为了克服现有技术中固态电解质光电转换效率低、熔点低、难用作染料敏化太阳能电池的电解质等不足，并提供了一种制造工艺简单、价格低廉的可用于染料敏化太阳能电池的全固态有机合金电解质和其制备方法。本发明制得的电解质熔点高(80℃以上)，且具有与液态电解质相当的电导率，由此电解质制成的染料敏化太阳能电池(DSSCs)具有高的光电转换效率和稳定性。
本发明的技术方案是：一种用于染料敏化太阳能电池的全固态有机合金电解质，其特征在于：该电解质由选自丁二腈，新戊二醇，三羟甲基乙烷，季戊四醇，樟脑，咪唑及其衍生物季铵盐，吡啶及其衍生物季铵盐中的两种或三种以上塑晶构成的有机合金材料；
和占所述有机合金物质的量的1-5％的碘，1-10％的碘化锂或碘化钾或碘化钠；
和占所述有机合金物质的量的1-10％的选自甲基乙基咪唑碘、叔丁基吡啶、二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂(LiTFSI)、LiBF4电导盐中的一种或多种。
上述的用于染料敏化太阳能电池的全固态有机合金电解质的制备方法，其特征在于：将权利要求1中所述的2种或3种以上的塑晶按照一定比例混合后，加热至完全熔融，搅拌，使混合均匀，制得均一、稳定溶液，冷却至室温，得到相应的有机合金；然后向所述有机合金材料中加入配方量的碘，碘化锂或碘化钾或碘化钠；和配方量的选自甲基乙基咪唑碘，叔丁基吡啶，二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂(LiTFSI)，LiBF4等电导盐中的一种或几种，加热至液态，搅拌均匀，冷至室温，即得到全固态有机合金电解质。
本发明的优点在于采用熔融法，将两种或多种塑晶和氧化还原盐融合形成有机合金电解质材料。与其他制备方法相比，该方法工艺简单、条件易控，以及离子混合均匀，特别适合制备固态DSSCs。与单一组分的固体电解质相比，由有机合金所制得的DSSCs具有最佳光电转换效率达到了4.35％，并且具有更好的长期稳定性。
附图说明
图1，有机合金电解质在不同温度下电导率图。
图2，由有机合金电解质制得的DSSCs的光电效率对时间图。
表1，有机合金电解质中塑晶组成及对应的DSSCs光电效率。
具体的实施方式
将选自丁二腈，新戊二醇，三羟甲基乙烷，季戊四醇，樟脑，咪唑及其衍生物季铵盐，吡啶及其衍生物季铵盐中的两种或三种以上塑晶按照以任意比例混合后，加热至完全熔融，搅拌，使混合均匀，制得均一、稳定溶液，冷却至室温，得到相应的有机合金；然后向所述有机合金材料中加入加入配方量的碘，碘化锂或碘化钾或碘化钠，和选自甲基乙基咪唑碘，叔丁基吡啶，二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂(LiTFSI)，LiBF4电导盐等组成中的一种或几种电解质，加热至液态，搅拌均匀，冷至室温，即得到全固态有机合金电解质。其中，所述有机合金既含有刚性塑晶、又含有柔性塑晶、且它们之间是可互溶的。
下面结合实施例对本发明进一步描述，该描述只是为了更好的说明本发明而不是对其进行限制。本发明并不限于这里所描述的特殊实例和实施方案。任何本领域中的技术人员很容易在不脱离本发明精神和范围的情况下进行进一步的改进和完善，都落入本发明的保护范围。
实施例1
选择新戊二醇(NPG)和丁二腈(SCN)两种塑晶，将NPG和SCN按0％、20％、40％、60％、80％、100％摩尔比称好质量，放在一起加热，至完全熔化，搅拌，使混合均匀，冷却得有机合金。这些固态有机合金的熔点随着NPG含量的增加而升高，熔点从58℃上升至122℃。再加入占有机合金物质的量的1-5％的碘，1-10％的碘化锂，1-10％的甲基乙基咪唑碘等电解质，加热至完全熔化，搅拌均匀，冷至室温，即得到固态有机合金电解质。NPG含量为80％的有机合金电解液的熔点达到了80℃以上。
图1为有机合金电解质在不同温度下电导率图。从图中可以看出，有机合金电解质具有很高的室温电导率。在摩尔含量为20％SCN和80％NPG的有机合金电解质中，25度时电导率达到了1.88mS·cm-1，是纯NPG电解质电导率的9倍。继续增加SCN含量，电解液电导率增加不大。
所得的固态有机合金电解质的光电效率数据如表1所示。
表1
Figure G2009102730629D00031
由表1可以看出：纯NPG电解质制得的DSSCs由于电解质的电导率较低，短路电流较小(Jsc＝7.36mA·cm-2)，填充因子较差(FF＝0.41)，转化效率也很低(η＝2.16)。而由SCN-NPG合金电解质制备的DSSCs的Jsc和FF值增加到约9mA·cm-2和0.6，光电转化效率提高了85％以上(η≥4.02)。
图2是这些DSSCs的光电转化效率对时间图。从图2可以看出，由纯NPG电解液制备的DSSCs放置60天后，效率仅为初始值的80.7％；同时，由二元SCN-NPG合金电解质制备的DSSCs的稳定性提高很多。当电解液中的SCN含量超过40％，相应的DSSCs在60天后，效率仍保持在95％以上，表明形成了更高熔点的二元有机合金电解质可增强DSSCs的长期稳定性。
实施例2
选择季戊四醇(PER)和丁二腈(SCN)两种塑晶。将PER和SCN按20％、40％、60％、80％摩尔比称好质量，放在一起加热，至完全熔化，搅拌，使混合均匀，冷却得有机合金材料。再加入占有机合金物质的量的1-5％的碘，1-10％的碘化锂，1-10％的甲基乙基咪唑碘，1-10％的叔丁基吡啶等电解质，加热至完全熔化，搅拌均匀，冷至室温，即得到固态有机合金电解质。该固态有机合金电解质的室温电导率达到了0.05ms cm-1～3ms cm-1。PER含量为80％的有机合金电解液的熔点达到了80℃以上。由这些固态有机合金电解质所制备的DSSCs的光电效率达到了2％～5％。
实施例3
选择新戊二醇(NPG)，丁二腈(SCN)和甲基吡啶碘(MPI)三种塑晶。将NPG、SCN和MPI按1∶1∶0、1∶1∶1、2∶2∶1、3∶3∶1、1∶2∶1、2∶1∶1等摩尔比称好质量，放在一起加热，至完全熔化，搅拌，使混合均匀，冷却得有机合金材料。再加入占有机合金物质的量的1-5％的碘，1-10％的碘化锂，1-10％的甲基乙基咪唑碘等电解质，，加热至完全熔化，搅拌均匀，冷至室温，即得到固态有机合金电解液。该固态有机合金电解质的室温电导率达到了0.1ms cm-1～5ms cm-1。部分有机合金电解液的熔点达到了80℃以上。由这些固态有机合金电解质所制备的DSSCs的光电效率达到了2％～5％。
实施例4
选择丁二腈(SCN)和甲基吡啶碘(MPI)两种塑晶。将SCN和MPI按20％、40％、60％、80％摩尔比称好质量，放在一起加热，至完全熔化，搅拌，使混合均匀，冷却得有机合金材料。再加入占有机合金物质的量的1-5％的碘，1-10％的碘化锂，1-10％的甲基乙基咪唑碘等电解质，加热至完全熔化，搅拌均匀，冷至室温，即得到固态有机合金电解液。该固态有机合金电解质的室温电导率达到了0.7ms cm-1～5ms cm-1。MPI含量为80％的有机合金电解液的熔点达到了60℃以上。由这些固态有机合金电解质所制备的DSSCs的光电效率达到了4％～5％。

Claims (2)

1.一种用于染料敏化太阳能电池的全固态有机合金电解质，其特征在于：该电解质由选自丁二腈，新戊二醇，三羟甲基乙烷，季戊四醇，樟脑，咪唑及其衍生物季铵盐，吡啶及其衍生物季铵盐中的两种或三种以上塑晶构成的有机合金材料；
和占所述有机合金物质的量的1-5％的碘，1-10％的碘化锂或碘化钾或碘化钠；
和占所述有机合金物质的量的1-10％的选自甲基乙基咪唑碘、叔丁基吡啶、二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂(LiTFSI)、LiBF4电导盐中的一种或多种。
2.如权利要求1所述的用于染料敏化太阳能电池的全固态有机合金电解质的制备方法，其特征在于：将权利要求1中所述的2种或3种以上的塑晶混合后，加热至完全熔融，搅拌，使混合均匀，制得均一、稳定溶液，冷却至室温，得到相应的有机合金；然后向所述有机合金材料中加入配方量的碘，碘化锂或碘化钾或碘化钠；和配方量的选自甲基乙基咪唑碘，叔丁基吡啶，二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂(LiTFSI)，LiBF4电导盐中的一种或几种，加热至液态，搅拌均匀，冷至室温，即得到全固态有机合金电解质。
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