CN101814373A - 电子辐照改性聚合物电解质的制备及其在染料敏化太阳电池中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电子辐照改性聚合物电解质的制备及其在染料敏化纳米晶太阳电池上应用，属于太阳能电池技术领域和电子加速技术领。本发明以环氧乙烷与聚丙烯腈为原料，以碘和碘化钾的混合物为氧化还原电对，加入到乙腈与二甲基甲酰胺的混合液中，于70～80℃温度下搅拌混合均匀形成凝胶态物质，再对凝胶态物质进行电子辐照改性，得到改性的聚合物电解质。经测定，改性的聚合物电解质的离子传导率从10-4量级提高到10-2量级s.cm-1，应用在染料敏化纳米晶太阳电池上，可使太阳电池的在标准光源下的效率提高了30～50％。
Description
技术领域
本发明涉及一种改性聚合物电解质，尤其涉及一种电子辐照改性聚合物电解质及其制备方法及其在染料敏化太阳电池中的应用，属于太阳能电池技术领域和电子加速技术领。
背景技术
液态电解质的染料敏化纳米晶太阳电池尽管光电转化效率较高，但是液态电解质由于易挥发、封装困难、稳定性差的特点，使得人们开始广泛寻找可以解决这些问题的固态和准固态的电解质。
常用的工业高分子聚合物由于成本低廉，用途广泛，也被作为有效的途径被提了出来。然而，常用的聚合物电解质的离子传导率比较低，并且与电极的吸附差，导致直接采用后电池效率很低。因此，寻找一种提高聚合物电解质离子传导率、并使电池效率提高的技术就显得重要起来。
发明内容
本发明的目的是提供一种高离子传导率的电子辐照改性聚合物电解质。
本发明的另一目的是提供一种电子辐照改性聚合物电解质的制备方法。
本发明还有一个目的，就是提供一种电子辐照改性聚合物电解质在染料敏化纳米晶太阳电池上的应用。
本发明电子辐照改性聚合物电解质的制备方法，是以环氧乙烷与聚丙烯腈为原料，以碘和碘化钾的混合物作为氧化还原电对，加入到乙腈与二甲基甲酰胺的混合液中，于70～80℃温度下搅拌混合均匀形成凝胶态物质，再对凝胶态物质进行电子辐照改性，得到改性的聚合物电解质。
所述环氧乙烷与聚丙烯腈以1∶5～1∶0.2的质量比进行配比。
所述乙腈与二甲基甲酰胺的混合液中，乙腈与二甲基甲酰胺的体积比为6∶1～2∶1。
所述碘和碘化钾的混合物中，碘与碘化钾以1∶8～1∶1.2的摩尔比混合。碘在聚合体系中的浓度为0.04～0.06mol/L；碘化钾在聚合体系中的浓度为0.3～0.7mol/L。
所述环氧乙烷与聚丙烯腈在聚合体系中的总质量为5％～25％。
所述电子辐照的辐照能量密度为1020eV/cm2～1021eV/cm2。
本发明制备的电子辐照改性聚合物电解质，经检测，离子传导率0.01～0.1s.cm-1。
影响电子辐照改性聚合物电解质离子传导率的因素：
1、PEO(环氧乙烷)和PAN(聚丙烯腈)配比
PEO含量一定时，随PAN含量的增多，未辐照制的PAN/PEO凝胶离子传导率降低；PAN含量一定时，随PEO含量增加，未辐照制的PAN/PEO凝胶离子传导率也是降低的；并且增加相同比例的PEO使得未辐照制的PAN/PEO凝胶离子传导率下降的比增加相同比例的PAN快，如图1。电子辐照改性后，在相同的辐照能量密度下，PEO含量一定时，随PAN含量的增多，辐照后的PAN/PEO凝胶离子传导率比辐照前增加的越多；PAN含量一定时，随PEO含量增加，辐照后的PAN/PEO凝胶离子传导率比辐照前增加的越少；并且增加相同比例的PEO使得辐照后PAN/PEO凝胶离子传导率增加量比增加相同比例的PAN少(甚至为负，即减少)，如图2。
2、辐照能量密度
对于同一配比的PAN/PEO凝胶，辐照改性引起的离子传导率先增加后减小，即存在一个最佳辐照能量密度能够使该配比的凝胶电解质辐照改性后离子传导率达到最大。对于PAN5、PEO5％的混合凝胶，最佳辐照能量密度为6×1020ev/cm2，此时离子传导率2.51×10-2s.cm-1，是未辐照样品离子传导率9×10-4s.cm-1的27.9倍，如图3。
上述实验证明，当PEO(环氧乙烷)和PAN(聚丙烯腈)的质量比控制在1∶5～1∶0.2的范围，电子辐照能量密度在1020eV/cm2～1021eV/cm2的范围内，得到的改性电解质的离子传导率都比未辐照时的离子传导率高。并且通过对辐照能量密度的控制能够使得一定配比的PAN/PEO凝胶离子传导率达到最大。
由于本发明制备的电子辐照改性聚合物电解质具有很高的离子传导率，故应用在染料敏化纳米晶太阳电池上，以提高其光电转化效率。
电子辐照改性聚合物电解质在染料敏化纳米晶太阳电池上的应用方法，是将所述电子辐照改性聚合物电解质涂抹到制好的纳米晶电极表面，之后压上对电极，封装即可。
经过在标准光源下的测试，本发明电子辐照改性聚合物电解质应用在染料敏化纳米晶太阳电池上，得到的效率-辐照能量密度的关系与离子传导率-辐照能量密度关系类似，即电池效率也是随辐照能量密度先增加后减小，即存在一个最佳辐照能量密度能够使电池效率达到最大。对于PAN5％、PEO5％的混合凝胶，最佳辐照能量密度为6×1020ev/cm2，此时电可使电池的光电转化效率从2.18％提高到3.03％，是原来太阳电池的1.39倍，如图4。
附图说明
图1为PAN/PEO凝胶中组分变化引起的离子传导率变化曲线
图2为电子辐照改性的PAN/PEO凝胶中组分变化引起的离子传导率变化曲线(虚线为与辐照前的对比)
图3为辐照能量密度与离子传导率关系曲线(PAN5％、PEO5％)
图4为辐照能量密度与电池效率关系曲线(PAN5％、PEO5％)
具体实施方式
以下结合具体的实施例对本发明电子辐照改性聚合物电解质的制备和应用作进一步说明。
(1)将有机溶剂乙腈(80ml)和二甲基酰胺(20ml)混合均匀后，加入4.77g聚丙烯腈(PAN)，于70℃搅拌均匀，再加入4.77g聚环氧乙烷(PEO)，继续搅拌到完全溶解，此时添加I2 1.27g，KI 8.30g，混合均匀后搅拌，得到PAN/PEO凝胶。
(2)用能量1.0MeV的电子束对PAN/PEO凝胶进行辐照，辐照能量密度为6×1020ev/cm2，得到改性聚合物电解质，离子传导率为2.51×10-2s.cm-1。
(3)将改性聚合物电解质均匀涂抹于N-719敏化过24小时的二氧化钛电极(手术刀法制备)上，压上高纯石墨均匀涂附的对电极，用Surlyn 1702封装。
(4)在标准光源下测试辐照改性后PAN/PEO凝胶制备的电池，得到的效率为3.03％，对比未辐照的PAN/PEO凝胶制备的电池(效率为2.18％)，发现效率提高了39％。
Claims (10)
1.一种电子辐照改性聚合物电解质的制备方法，是以环氧乙烷与聚丙烯腈为原料，以碘和碘化钾的混合物作为氧化还原电对，加入到乙腈与二甲基甲酰胺的混合液中，于70～80℃下搅拌混合均匀形成凝胶态物质，然后对凝胶态物质进行电子辐照，得到改性的聚合物电解质。
2.如权利要求1所述电子辐照改性聚合物电解质的制备方法，其特征在于：所述环氧乙烷与聚丙烯腈以1∶5～1∶0.2的质量比配比。
3.如权利要求1所述电子辐照改性聚合物电解质的制备方法，其特征在于：所述乙腈与二甲基甲酰胺的混合液中，乙腈与二甲基甲酰胺的体积比为6∶1～2∶1。
4.如权利要求1所述电子辐照改性聚合物电解质的制备方法，其特征在于：所述环氧乙烷与聚丙烯腈在聚合体系中的总质量为5％～25％。
5.如权利要求1所述电子辐照改性聚合物电解质的制备方法，其特征在于：所述以碘和碘化钾的混合物中，碘与碘化钾以1∶8～1∶12的摩尔比混合；碘在聚合体系中的浓度为0.04～0.06mol/L；碘化钾在聚合体系中的浓度为0.3～0.7mol/L。
6.如权利要求1所述电子辐照改性聚合物电解质的制备方法，其特征在于：所述电子辐照的辐照能量密度为1020eV/cm2～1021eV/cm2。
7.如权利要求1所述方法制备的电子辐照改性聚合物电解质。
8.如权利要求1所述方法制备的电子辐照改性聚合物电解质，其特征在于：离子传导率为0.01～0.1s.cm-1。
9.如权利要求1所述方法制备的电子辐照改性聚合物电解质在染料敏化纳米晶太阳电池上的应用。
10.如权利要求9所述方法制备的电子辐照改性聚合物电解质在染料敏化纳米晶太阳电池上的应用，其特征在于：将电子辐照改性的聚合物电解质涂抹到制好的纳米晶电极表面，之后压上对电极，封装即可。
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