CN102280256A - 染料敏化太阳能电池准固态电解质及用其制备太阳能电池的方法 - Google Patents

染料敏化太阳能电池准固态电解质及用其制备太阳能电池的方法 Download PDF

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Abstract

染料敏化太阳能电池准固态电解质及用其制备太阳能电池的方法，组成为α-氰基丙烯酸酯：2-30%；无机添加剂：0.1-10%；碘化物：5-20%；单质碘：0.5-5%；增塑剂：10-50%；光阳极配合剂：0.5-10%；有机溶剂：10-30%。本发明的准固态电解质热稳定性、力学性能好，电导率高；凝胶速度快、易制备、成本低，易于实现工业化生产；并且能够从根本上解决液态电解质易漏液、封装难等问题。

Description

染料敏化太阳能电池准固态电解质及用其制备太阳能电池的方法
 
技术领域
本发明属于一种准固态电解质的制备技术，特别涉及应用于染料敏化太阳能电池的准固态电解质及用其制备太阳能电池的方法。
 
技术背景
现如今世界环境污染、温室效应、能源危机等问题日益严重。人们对可再生能源的需求持续的增加。作为一种绿色能源，太阳能受到了人们的广泛关注。太阳能电池是开发利用太阳能最有效的方式之一。与传统的p-n结太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池（DSSC）作为一种价廉的非传统的太阳能电池，显示出极好的前景。
尽管由液态电解质组成的传统DSSC具有较高的光电转换效率，但是由于液态电解质存在着很多问题，例如：1. 液态电解质中的有机溶剂易挥发，可能导致染料的降解和脱附；2. 液态电解质流动性大，密封工艺复杂，并且密封剂可能会与电解质发生反应；3. 光生载流子受扩散控制，迁移速率较慢，在强光的照射下，光电流不稳定。4. 液态电解质本身不稳定，易发生化学反应，因此导致电池寿命大大降低。因此，为了解决上述问题，研究者们开始关注准固态和全固态电解质。
虽然全固态电解质能够克服液态电解质的大部分缺点。但是由于目前全固态电解质主要是由有机空穴传输材料、P-型无机半导体材料构成的，因此电解质的离子和电子传导性都比较差。这就导致了全固态DSSC的光电转换效率普遍比较低。
    而准固态电解质介于液态和固态电解质之间，既克服了液态电解质易漏液、封装难等缺点又具有较高的电导率。因此受到了研究者的普遍关注。
本发明采用的α-氰基丙烯酸酯与空气中的氧气和水发生交联聚合反应形成三维网状聚合物。这种三维网状结构提供了强大的离子传输通道，有效的提高了电解质的离子传导率。
在聚合物凝胶电解质中添加无机添加剂可以降低聚合物的结晶度。而降低聚合物的结晶度则有利于改善准固态染料敏化太阳能电池的热稳定性。此外，无机添加剂的加入有利于氧化还原电对传输孔道的建立，从而增加了离子的导电性。同时可以减少电极与电解质界面的电子复合，有效的抑制暗电流，从而提高了DSSC的光电流，进而提高了电池的转换效率。
 
发明内容
技术问题：为了解决现有的染料敏化太阳能电池液态电解质存在的易漏液、易挥发、封装难等问题，本发明提供了一种染料敏化太阳能电池准固态电解质及用其制备太阳能电池的方法。本发明制备的准固态电解质热稳定性、力学性能好，电导率高；凝胶速度快、易制备、成本低，易于实现工业化生产；并且能够从根本上解决液态电解质易漏液、封装难等问题。
技术方案：一种染料敏化太阳能电池准固态电解质，它由以下组分及质量百分配比混合而成α-氰基丙烯酸酯：2-30%；无机添加剂：0.1-10%；碘化物：5-20%；单质碘：0.5-5%；增塑剂：10-50%；光阳极配合剂：0.5-10%；有机溶剂：10-30%。
所述的α-氰基丙烯酸酯为α-氰基丙烯酸甲酯、α-氰基丙烯酸乙酯、α-氰基丙烯酸丙酯、α-氰基丙烯酸甲丁酯或α-氰基丙烯酸己酯中的一种或几种的混合物。
所述的无机添加剂选自纳米SiO2、纳米TiO2、纳米Al2O3、纳米ZnO、纳米ZrO2、纳米碳管、纳米碳纤维、活性炭、炭黑或石墨。
所述的碘化物为碘化锂、碘化钠、碘化钾、碘化镁、1-甲基-3-己基咪唑碘、1-乙基-3-己基咪唑碘、1-丙基3-甲基咪唑碘或四丙基碘化铵中的一种或几种的混合物。
所述的增塑剂是碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或者是任意比例它们的混合物。
所述的光阳极配合剂为4-叔丁基吡啶或者是N-甲基苯并咪唑。
所述的有机溶剂是乙腈、戊腈、3-甲氧基丙基腈中的一种或者是任意比例它们的混合物。
一种染料敏化太阳能电池准固态电解质的制备方法，步骤如下：将α-氰基丙烯酸酯、无机添加剂、碘化物、单质碘、增塑剂、光阳极配合剂、有机溶剂按比例混合，搅拌均匀，形成凝胶，制得染料敏化太阳能电池所用的准固态电解质。
用染料敏化太阳能电池准固态电解质制备太阳能电池的方法：制备准固态电解质：根据上述配比将α-氰基丙烯酸酯、无机添加剂、碘化物、单质碘、增塑剂、光阳极配合剂、有机溶剂按比例混合，搅拌均匀，形成凝胶，制得染料敏化太阳能电池所用的准固态电解质；制备DSSC浆料：称取6 g P25粉末，12 g冰醋酸和2 g研磨过的PEG20000，搅拌混合；将2 g乙基纤维素溶于25 mL乙醇和松油醇的2:1体积比混合物中，得到无色透明的粘稠液体；将此粘稠液体加至上述的粉末混合物中，再加5滴曲拉通X-100，磁力搅拌4小时；用刮涂法将此浆料涂覆在以掺杂氟的SnO2导电玻璃上，制备成TiO2薄膜电极；将上述TiO2薄膜电极放在马弗炉中450 ℃下烧结30分钟，提高半导体纳米颗粒结晶度；吸附染料：将上述电极在80 ℃下加热20分钟后浸入N3染料的乙醇溶液中，N3染料浓度为3×10-4  mol/L，室温浸泡24 h后取出，用无水乙醇将物理吸附的N3染料冲洗掉，自然风干；将准固态电解质刮涂到TiO2薄膜电极上，盖上对电极铂片，用夹子夹紧，得太阳能电池。
本发明采用的α-氰基丙烯酸酯与空气中的氧气和水发生交联聚合反应形成三维网状聚合物。这种三维网状结构提供了强大的离子传输通道，有效的提高了电解质的离子传导率。并且聚氰基丙烯酸酯中的N原子能与1-丙基3-甲基咪唑碘中的咪唑阳离子形成超分子自组装结构。这种结构（如图1）可以将咪唑阳离子固定，有利于碘负离子的传输，提高离子的传导率。
有益效果：
1. 准固态电解质介于液态和固态电解质之间，既具有较高的电导率又克服了液态电解质易漏液、封装难等缺点。
2. 本发明采用的α-氰基丙烯酸酯与空气中的氧气和水发生交联聚合反应形成三维网状聚合物。这种三维网状结构提供了强大的离子传输通道，有效的提高了电解质的离子传导率。
3. 在聚合物凝胶电解质中添加无机添加剂增加了离子的导电性。改善了准固态染料敏化太阳能电池的热稳定性。同时可以减少电极与电解质界面的电子复合，有效的抑制暗电流，从而提高了DSSC的光电流，进而提高了电池的转换效率。
 
附图说明
图1 聚氰基丙烯酸酯中的N原子与1-丙基3-甲基咪唑碘中的咪唑阳离子形成自组装结构示意图；
图2 本发明所述的准固态电解质内部结构示意图； 1、电子传输路径  2、I-  3、I3 -  4、无机添加剂  5、聚氰基丙烯酸酯  6、碘化物  
图 3 为实施例 1-6 中准固态电解质的电导率变化曲线。
图 4 为由实施例 1-6 中的准固态电解质组装成DSSC的测试曲线（DSSC的输出电流和光电压曲线，即I-V曲线）；
在I-V曲线中，曲线在纵坐标上的截距为短路电流密度（Jsc）。即，电流处于短路（外电阻为零）时的电流密度，等于电池的短路电流与电池有效面积之比。
曲线在横坐标上的截距为开路电压（Voc），即电路处于开路（外电阻无穷大）时的电压。
    
具体实施方式：
下面将结合实施例对本发明做详细的介绍，但本发明并不局限于以下实施例所述内容。
 
实施例1：
准固态电解质由以下组分及质量百分配比组成：α-氰基丙烯酸酯：10%；石墨粉：0%；四丙基碘化铵：15%；单质碘：1.5%；4-叔丁基吡啶： 5%；碳酸丙烯酯：48.5%；乙腈：20%。
 
实施例2：
准固态电解质由以下组分及质量百分配比组成：α-氰基丙烯酸酯：10%；石墨粉：0.1%；四丙基碘化铵：15%；单质碘：1.5%；4-叔丁基吡啶： 5%；碳酸丙烯酯：48.4%；乙腈：20%。
 
实施例3：
准固态电解质由以下组分及质量百分配比组成：α-氰基丙烯酸酯：10%；石墨粉：0.3%；四丙基碘化铵：15%；单质碘：1.5%；4-叔丁基吡啶： 5%；碳酸丙烯酯：48.2%；乙腈：20%。
 
实施例4：
准固态电解质由以下组分及质量百分配比组成：α-氰基丙烯酸酯：10%；石墨粉：0.4%；四丙基碘化铵：15%；单质碘：1.5%；4-叔丁基吡啶： 5%；碳酸丙烯酯：48.1%；乙腈：20%。
 
实施例5：
准固态电解质由以下组分及质量百分配比组成：α-氰基丙烯酸酯：10%；石墨粉：0.5%；四丙基碘化铵：15%；单质碘：1.5%；4-叔丁基吡啶： 5%；碳酸丙烯酯：48.0%；乙腈：20%。
 
实施例6：
准固态电解质由以下组分及质量百分配比组成：α-氰基丙烯酸酯：10%；石墨粉：0.7%；四丙基碘化铵：15%；单质碘：1.5%；4-叔丁基吡啶： 5%；碳酸丙烯酯：48.0%；乙腈：20%。
制备实施例1-6的准固态电解质染料敏化太阳能电池的方法如下：
a制备准固态电解质。将α-氰基丙烯酸酯、无机添加剂、碘化物、单质碘、增塑剂、光阳极配合剂、有机溶剂按比例混合，搅拌均匀，形成凝胶，制得染料敏化太阳能电池所用的准固态电解质。
b制备DSSC浆料。称取6 g P25粉末（Degussa公司），12 g冰醋酸和2 g研磨过的PEG20000，搅拌混合。将2 g乙基纤维素溶于25 mL乙醇和松油醇的混合物中（体积比：2:1），得到无色透明的粘稠液体。将此粘稠液体加至上述的粉末混合物中，再加5滴曲拉通X-100，磁力搅拌4小时。
c用刮涂法将此浆料涂覆在以掺杂氟的SnO2导电玻璃(SnO2:F，简称为FTO)上，制备成TiO2薄膜电极。
d将上述TiO2薄膜电极放在马弗炉中450 ℃下烧结30分钟，提高半导体纳米颗粒结晶度。
e吸附染料。将上述电极在80 ℃下加热20分钟后浸入N3染料（澳大利亚DYESOL公司购买）的乙醇溶液（N3染料浓度为3×10-4  mol/L）中，室温浸泡24 h后取出，用无水乙醇将物理吸附的N3染料冲洗掉，自然风干。
    f将准固态电解质刮涂到TiO2薄膜电极上，盖上对电极铂片，用夹子夹紧，进行I-V测试。测试结果如图4。

Claims (8)

1.一种染料敏化太阳能电池准固态电解质，其特征在于它由以下组分及质量百分配比混合而成:
α-氰基丙烯酸酯：2-30%；
无机添加剂：0.1-10%；
碘化物：5-20%；
单质碘：0.5-5%；
增塑剂：10-50%；
光阳极配合剂：0.5-10%；
有机溶剂：10-30%。
2.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池准固态电解质，其特征在于所述的α-氰基丙烯酸酯为α-氰基丙烯酸甲酯、α-氰基丙烯酸乙酯、α-氰基丙烯酸丙酯、α-氰基丙烯酸甲丁酯或α-氰基丙烯酸己酯中的一种或几种的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池准固态电解质，其特征在于所述的无机添加剂选自纳米SiO2、纳米TiO2、纳米Al2O3、纳米ZnO、纳米ZrO2、纳米碳管、纳米碳纤维、活性炭、炭黑或石墨。
4.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池准固态电解质，其特征在于所述的碘化物为碘化锂、碘化钠、碘化钾、碘化镁、1-甲基-3-己基咪唑碘、1-乙基-3-己基咪唑碘、1-丙基3-甲基咪唑碘或四丙基碘化铵中的一种或几种的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池准固态电解质，其特征在于所述的增塑剂是碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或者是任意比例它们的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池准固态电解质，其特征在于所述的光阳极配合剂为4-叔丁基吡啶或者是N-甲基苯并咪唑。
7.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池准固态电解质，其特征在于所述的有机溶剂是乙腈、戊腈、3-甲氧基丙基腈中的一种或者是任意比例它们的混合物。
8.用染料敏化太阳能电池准固态电解质制备太阳能电池的方法，其特征在于：
a.制备准固态电解质：根据上述配比将α-氰基丙烯酸酯、无机添加剂、碘化物、单质碘、增塑剂、光阳极配合剂、有机溶剂按比例混合，搅拌均匀，形成凝胶，制得染料敏化太阳能电池所用的准固态电解质；
b.制备DSSC浆料：称取6 g P25粉末，12 g冰醋酸和2 g研磨过的PEG20000，搅拌混合；将2 g乙基纤维素溶于25 mL乙醇和松油醇的2:1体积比混合物中，得到无色透明的粘稠液体；将此粘稠液体加至上述的粉末混合物中，再加5滴曲拉通X-100，磁力搅拌4小时；
c.用刮涂法将此浆料涂覆在以掺杂氟的SnO2导电玻璃上，制备成TiO2薄膜电极；
d.将上述TiO2薄膜电极放在马弗炉中450 ℃下烧结30分钟，提高半导体纳米颗粒结晶度；
e.吸附染料：将上述电极在80 ℃下加热20分钟后浸入N3染料的乙醇溶液中，N3染料浓度为3×10-4  mol/L，室温浸泡24 h后取出，用无水乙醇将物理吸附的N3染料冲洗掉，自然风干；
f.将准固态电解质刮涂到TiO2薄膜电极上，盖上对电极铂片，用夹子夹紧，得太阳能电池。
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