CN101950675B

CN101950675B - 基于离子液体的染料敏化太阳能电池电解质及其制备方法

Info

Publication number: CN101950675B
Application number: CN 201010293896
Authority: CN
Inventors: 李雪辉; 于英豪; 姜鹏; 王芙蓉; 王乐夫
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-09-26
Filing date: 2010-09-26
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2030-09-26
Also published as: CN101950675A

Abstract

本发明公开了一种基于离子液体的染料敏化太阳能电池电解质及其制备方法。该方法包括以下步骤：将碘源离子液体、碘和导电高分子化合物按比例溶解在有机溶剂中，然后加入低粘度离子液体，并剧烈搅拌，持续反应后得到均相的胶粘溶液；放置，挥发去除有机溶剂，干燥，得到太阳能电池电解质。将上述高分子电解质膜作为电解质，成功组装出固态染料敏化太阳能电池，通过使用电流-电压曲线对其光伏性能进行了表征，结果表明：该固态染料敏化太阳能电池具有较高的电池的填充因子和转换效率。该固态聚合电解质膜可以从根本上解决传统染料敏化太阳能电池的封装和露液的问题，且在户外具有良好的热稳定性。

Description

基于离子液体的染料敏化太阳能电池电解质及其制备方法

技术领域

本发明属于太阳能利用领域，特别涉及一种基于离子液体的染料敏化太阳能电池电解质及其制备方法。

背景技术

太阳光的辐射能量是地球上可被利用的最丰富的可再生能源，据悉，太阳光每年可向人类提供178,000兆瓦的能量。在太阳能的有效利用中，太阳能的光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域。太阳能电池的研制和开发日益得到重视。目前几种较为常见的太阳能电池主要有：单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳能电池、CdTe薄膜太阳能电池、染料敏化太阳电池等。虽然前几种纯半导体基的固态光电化学电池一般的光电转换效率达到了10％-16％，但产品对高纯硅和复杂的制造工艺的要求导致昂贵的生产成本；而且由于常规半导体的禁带宽度较大，因此其光吸收波长主要局限于紫外区，太阳能的利用效率也相应的较低，虽然目前已经有研究通过贵金属沉积、复合半导体、金属离子(氮化物)掺杂等方法，对所合成的半导体电极进行改性。虽然上述改性方法在一定程度上改善半导体的光电性能，但是效果不够明显。

与传统的硅太阳电池依靠的是光物理效应不同的是，染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Thin Film Solar Cells，简称DSC)，则是通过光化学过程来实现光电转换，从而可以使太阳电池的光电转换材料不再局限于制备过程复杂、价格昂贵的高纯无机半导体材料，能通过使用一般纯度、具有电子和空穴输运特性的材料如氧化物、聚合物等来实现高效的光电转换。因此制作工艺简单，原材料廉价，相对于其他太阳能电池具有巨大的价格优势。但是现有的染料敏化电池也存在着一定问题：传统染料敏化太阳能电池使用碘化锂作染料敏化太阳能电池的电解质的碘源，但碘化锂是一种不常见的商品原料，很难买到，而且制备过程中又易潮解，加之碱金属的碘盐又与二氧化钛电极相互作用而影响电池的稳定性；电解质都使用有机溶剂，但有机溶剂易挥发，这就是染料敏化太阳能电池的封装、转换效率及使用寿命产生很大的问题。因此，需要寻找不易挥发，且稳定的电解质来解决染料敏化太阳能电池在实际应用中所产生的问题。

发明内容

为克服上述现有技术中存在的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种基于离子液体的染料敏化太阳能电池电解质的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述方法制备的太阳能电池电解质；所得太阳能电池电解质的碘源不易潮解、物性稳定，且不易挥发。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：一种基于离子液体的染料敏化太阳能电池电解质的制备方法，包括以下操作步骤：将导电高分子化合物、碘源离子液体和碘按摩尔比为1∶(0～0.5)∶(0.05～0.25)混合，并溶解在有机溶剂中，然后加入低粘度离子液体，所述低粘度离子液体和碘源离子液体按化学计量比0.1∶1～0.5∶1，在搅拌条件下持续反应4～6h后，得到均相的胶粘溶液；将均相的胶粘溶液放置，挥发去除有机溶剂，干燥，得到基于离子液体的染料敏化太阳能电池电解质。

所述碘源离子液体的阳离子为N-甲基咪唑、N-乙基咪唑、2-乙基咪唑、N-丙基咪唑、2-丙基咪唑、N-异丙基咪唑、2-异丙基咪唑、1-乙烯基咪唑、N-丁基咪唑、1，2-二甲基咪唑、1-丙基-3-甲基咪唑、1-丁基-3-甲基咪唑、1-己基-3-甲基咪唑中的一种以上，阴离子为I^-。

所述低粘度离子液体的阳离子为N-甲基咪唑、N-乙基咪唑、2-乙基咪唑、N-丙基咪唑、2-丙基咪唑、N-异丙基咪唑、2-异丙基咪唑、1-乙烯基咪唑、N-丁基咪唑、1，2-二甲基咪唑、1-丙基-3-甲基咪唑、1-丁基-3-甲基咪唑、1-己基-3-甲基咪唑中的一种以上，阴离子为SCN^-、CF₃(CF₂)_nSO₃ ^-、CF₃(CF₂)_nCOO^-、(CF₃SO₃)₂N^-和(CF₃SO₃)₃C^-中的一种以上。

所述低粘度离子液体的粘度范围为100～500mPa·S。

所述导电高分子化合物分子量分布范围为10³～10⁵；所述导电高分子化合物为聚环氧乙烷(PEO)或聚环氧丙烷(PPO)。

所述有机溶剂为乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙腈、丙腈或丁二腈。

所述搅拌的转速为200～400r/min。

所述放置的时间为2～4天。

所述干燥为真空干燥，干燥时间为6～10h，干燥温度为40～60℃。

一种根据上述方法制备得到染料敏化太阳能电池电解质。

采用碘代烷烃和甲基咪唑的季胺盐的交换反应以及银盐反应分别合成了二元离子液体体系，并运用红外、质谱、氢谱、热重-差示扫描量热对些二元离子液体体系进行了表征，以确定其结构；运用离子色谱对上述二元离子液体的纯度进行了表征。在此基础上采用溶液铸膜法将此二元离子液体体系与导电高分子化合物混合，通过改变各组分不同的含量配制出高分子电解质膜。分别运用FT-IR、XRD、EIS对该电解质膜进行了表征，运用复数平面法求出了各电解质的导电率；将上述高分子电解质膜作为电解质，成功组装出固态染料敏化太阳能电池，并对其光伏性能进行了表征，结果表明：该固态染料敏化太阳能电池具有较高的电池的填充因子和转换效率。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明固态聚合电解质膜可以从根本上解决传统染料敏化太阳能电池的封装和露液的问题，且在户外具有良好的热稳定性。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

将分子量为10³的聚环氧乙烷、1-丙基-3-甲基咪唑碘盐(PMIMI，碘源离子液体)、I₂以1∶0.2∶0.1的比例溶解在乙腈当中，然后将低粘度离子液体1-乙基-3-甲基咪唑硫氰酸盐离子液体(EMIMSCN，粘度值为292.4mPa·S)按化学计量比为1∶0.2加入，并以转速400r/min搅拌，持续反应4h得到均相的胶粘溶液，将此电解质溶液通过铂电极预留的小孔，在真空作用下进行灌注，将电池放置在真空干燥箱中、温度为40℃以蒸发掉乙腈，6h后，电解液已成为膜状结构。然后再用Surlyn热封薄膜将小孔密封，完成电池的封装。通过使用电流-电压曲线对其光伏性能进行了表征，结果表明：该固态染料敏化太阳能电池的填充因子和转换效率分别为77.60％和4.02％。

实施例2

将分子量为10⁵的聚环氧乙烷、1-丁基-3-甲基咪唑碘盐(BMIMI，碘源离子液体)、I₂以1∶0.3∶0.15的比例溶解在丙腈当中，然后离子液体1-丁基-3-甲基咪唑硫氰酸盐(BMIMSCN，粘度值为249.8mPa·S)按化学计量比为1∶0.3加入，并以转速200r/min搅拌，持续反应4h得到均相的胶粘溶液，将此电解质溶液通过铂电极预留的小孔，在真空作用下进行灌注，将电池放置在真空干燥箱中、温度为40℃以蒸发掉丙腈，6h后，再用Surlyn热封薄膜将小孔密封，完成电池的封装。通过使用电流-电压曲线对其光伏性能进行了表征，结果表明：该固态染料敏化太阳能电池的填充因子和转换效率分别为73.20％和5.29％。

实施例3

将分子量为10⁴的聚环氧乙烷、1-己基-3-甲基咪唑碘盐(HMIMI，碘源离子液体)、I₂以1∶0.4∶0.2溶解在丁二腈当中，然后离子液体1-丁基-3-甲基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺盐(BMImNTf₂，粘度值为172.7mPa·S)按化学计量比为1∶0.4加入，并以转速300r/min搅拌，持续反应5h得到均相的胶粘溶液，将此电解质溶液通过铂电极预留的小孔，在真空作用下进行灌注，将电池放置在真空干燥箱中、温度为50℃以蒸发掉丁二腈，7h后，再用Surlyn热封薄膜将小孔密封，完成电池的封装。通过使用电流-电压曲线对其光伏性能进行了表征，结果表明：该固态染料敏化太阳能电池的填充因子和转换效率分别为78.32％和6.11％。

实施例4

将分子量为10³的聚环氧丙烷、N-丙基咪唑碘盐(MIMI，碘源离子液体)、I₂以1∶0.5∶0.25溶解在乙酸乙酯当中，然后离子液体1-丁基-3-甲基咪唑三氟磺酸盐(BMImCF₃SO₃，粘度值为306.3mPa.S)按化学计量比为1∶0.5加入，并以转速250r/min搅拌，持续反应6h得到均相的胶粘溶液，将此电解质溶液通过铂电极预留的小孔，在真空作用下进行灌注，将电池放置在真空干燥箱中、温度为55℃以蒸发掉乙酸乙酯，8h后，再用Surlyn热封薄膜将小孔密封，完成电池的封装。通过使用电流-电压曲线对其光伏性能进行了表征，结果表明：该固态染料敏化太阳能电池的填充因子和转换效率分别为78.81％和6.29％。

实施例5

将分子量为10⁵的聚环氧丙烷、1-丁基-3-甲基咪唑碘盐(BMIMI，碘源离子液体)、I₂以1∶0.1∶0.05溶解在异丙醇当中，然后离子液体1-丁基-3-甲基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺盐(BMImNTf₂，粘度值为172.7mPa·S)按化学计量比为1∶0.1加入，并以转速350r/min搅拌，持续反应6h得到均相的胶粘溶液，将此电解质溶液通过铂电极预留的小孔，在真空作用下进行灌注，将电池放置在真空干燥箱中、温度为60℃以蒸发掉异丙醇，9h后，再用Surlyn热封薄膜将小孔密封，完成电池的封装。通过使用电流-电压曲线对其光伏性能进行了表征，结果表明：该固态染料敏化太阳能电池的填充因子和转换效率分别为68.79％和4.86％。

实施例6

将分子量为10⁴的聚环氧丙烷、1-己基-3-甲基咪唑碘盐(HMIMI，碘源离子液体)、I₂以1∶0.35∶0.15溶解在乙醇当中，然后离子液体1-乙基-3-甲基咪唑硫氰酸盐离子液体(EMIMSCN，粘度值为292.4mPa·S)按化学计量比为1∶0.5加入，并以转速350r/min搅拌，持续反应6h得到均相的胶粘溶液，将此电解质溶液通过铂电极预留的小孔，在真空作用下进行灌注，将电池放置在真空干燥箱中、温度为60℃以蒸发掉乙醇，10h后，再用Surlyn热封薄膜将小孔密封，完成电池的封装。通过使用电流-电压曲线对其光伏性能进行了表征，结果表明：该固态染料敏化太阳能电池的填充因子和转换效率分别为74.05％和5.56％。

上述实施例中为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于离子液体的染料敏化太阳能电池电解质的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：将导电高分子化合物、碘源离子液体和碘按摩尔比为1∶(0～0.5)∶(0.05～0.25)混合，并溶解在有机溶剂中，然后加入低粘度离子液体，所述低粘度离子液体和碘源离子液体按化学计量比0.1∶1～0.5∶1，在搅拌条件下持续反应4～6h后，得到均相的胶粘溶液；将均相的胶粘溶液放置，挥发去除有机溶剂，干燥，得到基于离子液体的染料敏化太阳能电池电解质；

所述碘源离子液体的阳离子为N-甲基咪唑、N-乙基咪唑、2-乙基咪唑、N-丙基咪唑、2-丙基咪唑、N-异丙基咪唑、2-异丙基咪唑、1-乙烯基咪唑、N-丁基咪唑、1，2-二甲基咪唑、1-丙基-3-甲基咪唑、1-丁基-3-甲基咪唑、1-己基-3-甲基咪唑中的一种以上，阴离子为I-；所述导电高分子化合物为聚环氧乙烷或聚环氧丙烷；

所述低粘度离子液体的阳离子为N-甲基咪唑、N-乙基咪唑、2-乙基咪唑、N-丙基咪唑、2-丙基咪唑、N-异丙基咪唑、2-异丙基咪唑、1-乙烯基咪唑、N-丁基咪唑、1，2-二甲基咪唑、1-丙基-3-甲基咪唑、1-丁基-3-甲基咪唑、1-己基-3-甲基咪唑中的一种以上，阴离子为SCN^-、CF₃(CF₂)_nSO₃ ^-、CF₃(CF₂)_nCOO^-、(CF₃SO₃)₂N^-和CF₃SO₃ ^-中的一种以上。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述低粘度离子液体的粘度范围为100～500mPa·S。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述导电高分子化合物分子量分布范围为10³～10⁵。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙腈、丙腈或丁二腈。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述搅拌的转速为200～400r/min。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述放置的时间为2～4天。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述干燥为真空干燥，干燥时间为6～10h，干燥温度为40～60℃。

8.一种根据权利要求1～7任一项所述方法制备得到染料敏化太阳能电池电解质。