CN102426920A - 一种太阳能电池电解质及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种染料敏化太阳能电池电解质，由以下重量百分比的原料构成：N，N-双烷基吡咯烷鎓盐55～85%；碘盐15～35%；碘单质2～7%；添加剂2～7%；本发明制备的固态电解质由于塑晶相的存在，电解质电导率较高，有利于碘离子的迁移；本发明制备的固态电解质具有高熔点的性能，组装成电池后能在80℃下工作时仍保持固态，并且电池效率较高，应用前景广阔；并且本发明制备的固态电解质不含有传统有毒溶剂，不会对环境造成污染，不易泄露。

Description

一种太阳能电池电解质及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于N，N-双烷基吡咯烷鎓盐的固态电解质的染料敏化太阳能电池。
背景技术
随着全球性能源危机日益严重，能源已经成为21世纪迫切需要解决的关键问题之一。太阳能是取之不尽的绿色资源，是解决这个问题的最佳途径，世界各国纷纷竞相开展如何利用太阳能的研究，其中太阳能电池是其中重要的分支之一。
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、固态等多种形式[Dalton.Trans.2008，2655-2666；Adv.Funct.Mater.2009，19，1-16；Adv.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[Adv.Funct.Mater.2007，17，2645-2652；Electrochimica Acta，2006，51，4243-4249]。凝胶电解质中一般含有大量的液态电解质[J.Am.Chem.Soc.2005，127，6394-6401；Thin Solid Films.2002，403，271-274]，所以在高温下也容易发生电解质的挥发与泄漏，电池性能下降。而固态电解质的出现，提供了一种可能的解决方案，正越来越受到社会的关注[Adv.Funct.Mater.2007，16，1832-1838]。
目前，固态电解质主要采用P-型无机半导体、有机空穴传输等材料。但是这类固态电解质的电子和离子传输性能比较低，导致电池效率较低[Chem.Mater.2008，20，6022-6028；J.Mater.Chem.2010，20，3619-3625]，因此，提高固态电解质的染料敏化太阳能电池的效率成为重要的发展方向。另外，国外已有文献报道，电池在室外工作下的温度可能超过60℃[J.Photochem.Photobiol.A.2004，164，3-14]，但当前有些固态电解质在室温下是固态但60℃以上时却成液态[J.AM.CHEM.SOC.2004，126，13590-13591]。因此，固态电解质还必须具有较高的相转变温度，热稳定性，以防止高温下(＞60℃)电解质的泄漏。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能电池电解质，该基于N，N-双烷基吡咯烷鎓盐的太阳能电池用固态电解质，可在保证电池的光电转换效率的前提下，有效地解决液体电解质的泄漏问题。
该固态电介质中N，N-双烷基吡咯烷鎓盐作为固体溶剂来溶解碘和碘盐，另外，该固态电解质在很宽的温度范围内成固态，具有高熔点性，并且由于塑晶相的存在使其具有较高的电导率和离子扩散系数，基于以上固态电解质电池具有电池性能高、热稳定性高、长期使用稳定的优点。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种太阳能电池电解质，由以下重量百分比的原料构成：
N，N-双烷基吡咯烷鎓盐 60～85％；
碘盐                  10～35％；
碘单质                2～7％；
添加剂                2～7％；
所述N，N-双烷基吡咯烷鎓盐为：
其中m＝1-4；X选自：I、Br或Cl中的一种；
所述碘盐为碘化锂LiI、碘化钾KI、碘化钠NaI、1-甲基-3-丙基甲基咪唑碘化盐、1，2-二甲基-3-丙基甲基咪唑碘化盐或1，3-二甲基咪唑碘化盐中的一种或两种以上(包括两种)的任意比例的混合物；
所述添加剂为叔丁基吡啶、N-甲基苯并咪唑或N-丁基苯并咪唑的一种。
上述太阳能电池电解质的制备方法，包括以下步骤：
(1)将碘化物加入N，N-双烷基吡咯烷鎓盐中，加热熔融后搅拌混合均匀；
(2)再加入碘单质和添加剂，加热熔融后搅拌混合均匀，电解质迅速冷却固化，得到的固态电解质。
上述技术方案中，所述加热熔融的目的是使各组分在液态下混合均匀，本领域技术人员可以按照现有技术自行调整温度；步骤(1)、步骤(2)中加热熔融后达到的温度为100～250℃。
上述技术方案中，所得固态电解质在较宽的温度范围内都保持固态且具有较高的电导率，在80℃下的形态仍为固态。
进一步的技术方案中，应用上述固态电解质制备染料敏化纳米晶太阳能电池，所述制备方法如下：在经过染料敏化的宽禁带半导体纳米晶膜的表面上设置上述固态电解质，然后将镀铂的导电玻璃放在染料敏化的半导体纳米晶膜上，即构成夹心型染料敏化太阳能电池，并用热封胶进行封装。
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.本发明制备的固态电解质由于塑晶相的存在，电解质电导率较高，并有利于碘离子的迁移；本发明制备的固态电解质具有高熔点的性能，组装成电池后能在高温下工作时仍保持固态，并且电池效率较高，长期稳定，应用前景广阔。
2.本发明制备的固态电解质不含有传统有毒溶剂，不会对环境造成污染，不易泄露。
附图说明
图l是实施例一中的染料敏化纳米晶太阳能在不同温度下的光电流-光电压曲线；
图2是实施例一中的染料敏化纳米晶太阳能电池的在80℃下的热稳定性性能图；
图3是实施例一中基于N，N-甲基乙基吡咯烷鎓碘化固态电解质DSC-电导率图；
图4是实施例一中基于N，N-甲基乙基吡咯烷鎓碘化固态电解质80℃下的照片。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：
将1.3g 1-甲基-3-丙基甲基咪唑碘化盐加入0.6g N，N-甲基乙基吡咯烷鎓碘化盐中，160℃下搅拌混合均匀；再加入0.04g I2和0.06g N-甲基苯并咪唑，160℃下再混合搅拌30min，然后趁热滴到光阳极染料二氧化钛膜与Pt电极之间，进一步加热使得固态电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中，再进行封装制得固态太阳能电池。使用氙灯模拟太阳光，光强100mW/cm2条件下，测得电池光电转换效率在25℃下为4.95％，60℃下为5.12％，80℃下为5.25％(图1)。1000小时后，光电转化效率仍为原来的95％以上(图2)。
上述固态电解质在较宽的温度范围内都保持固态且具有较高的电导率(图3)，例如在80℃下的形态仍为固态(图4，试剂瓶上端黑色部分为所述固态电解质)。
实施例二：将0.7g 1，2-二甲基-3-丙基甲基咪唑碘化盐加入1.2g N，N-甲基丁基吡咯烷鎓碘化盐中，135℃下搅拌混合均匀；再加入0.06g I2和0.04g N-丁基苯并咪唑，135℃下再混合搅拌30min，然后趁热滴到到光阳极染料二氧化钛膜与Pt电极之间，进一步加热使得固态电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中，再进行封装制得固态太阳能电池。使用氙灯模拟太阳光，光强100mW/cm2条件下，测得电池光电转换效率在25℃下为4.72％，60℃下为5.03％，80℃下为5.15％。
实施例三：将0.3g 1，3-二甲基咪唑碘化盐加入1.5g N，N-甲基乙基吡咯烷鎓溴化盐中，120℃下搅拌混合均匀；再加入0.14g I2和0.06g N-丁基苯并咪唑，125℃下再混合搅拌30min，然后趁热滴到到光阳极染料二氧化钛膜与Pt电极之间，进一步加热使得固态电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中，再进行封装制得固态太阳能电池。使用氙灯模拟太阳光，光强100mW/cm2条件下，测得电池光电转换效率在25℃下为4.85％，60℃下为5.13％，80℃下为5.22％。
实施例四：将0.2g LiI加入1.7g N，N-甲基丙基吡咯烷鎓溴化盐中，130℃下搅拌混合均匀；再加入0.06g I2和0.04g N-丁基苯并咪唑，130℃下再混合搅拌30min，然后趁热滴到到光阳极染料二氧化钛膜与Pt电极之间，进一步加热使得固态电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中，再进行封装制得固态太阳能电池。使用氙灯模拟太阳光，光强100mW/cm2条件下，测得电池光电转换效率在25℃下为4.55％，60℃下为4.73％，80℃下为4.91％。
实施例五：将0.6g KI加入1.2g N，N-甲基乙基吡咯烷鎓氯化盐中，140℃下搅拌混合均匀；再加入0.14g I2和0.06g N-丁基苯并咪唑，140℃下再混合搅拌30min，然后趁热滴到到光阳极染料二氧化钛膜与Pt电极之间，进一步加热使得固态电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中，再进行封装制得固态太阳能电池。使用氙灯模拟太阳光，光强100mW/cm2条件下，测得电池光电转换效率在25℃下为4.22％，60℃下为4.43％，80℃下为4.51％。
实施例六：将0.1g LiI和0.2g 1，2-二甲基-3-丙基甲基咪唑碘化盐加入1gN，N-甲基丙基吡咯烷鎓碘化盐中，120℃下搅拌混合均匀；再加入0.07g I2和0.03g叔丁基吡啶，120℃下再混合搅拌30min，然后趁热滴到到光阳极染料二氧化钛膜与Pt电极之间，进一步加热使得固态电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中，再进行封装制得固态太阳能电池。使用氙灯模拟太阳光，光强100mW/cm2条件下，测得电池光电转换效率在25℃下为4.72％，60℃下为4.85％，80℃下为4.97％。
实施例七：将0.1gLiI和0.2g 1-甲基-3-丙基甲基咪唑碘化盐加入1gN，N甲基丁基吡咯烷鎓溴化盐中，110℃下搅拌混合均匀；再加入0.07g I2和0.03g N-甲基苯并咪唑，110℃下再混合搅拌30min，然后趁热滴到到光阳极染料二氧化钛膜与Pt电极之间，进一步加热使得固态电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中，再进行封装制得固态太阳能电池。使用氙灯模拟太阳光，光强100mW/cm2条件下，测得电池光电转换效率在25℃下为4.65％，60℃下为4.83％，80℃下为4.94％。
上述实施例中，染料敏化纳米晶太阳能电池的光电化学测量按照传统的两电极体系测量，照射光源为五档可调的500W氙灯(Ushio Electric，Japan)。光电流和光电压输出通过Keithley 2400数字源表(美国Keithley公司)测量。
上述实施例中，染料敏化纳米晶太阳能电池的热稳定性方法测试如下：电池封装后，将电池存放在80℃环境下1000h，每隔四天测量一次电池性能。

Claims (4)

1.一种太阳能电池电解质，其特征在于，由以下重量百分比的原料构成：
N，N-双烷基吡咯烷鎓盐 60～85％；
碘盐                  10～35％；
碘单质                2～7％；
添加剂                2～7％；
所述N，N-双烷基吡咯烷鎓盐的结构通式如下所示：
Figure FDA0000081518090000011
其中m＝1-4；X选自：I、Br或Cl中的一种；
所述碘盐为碘化锂LiI、碘化钾KI、碘化钠NaI、1-甲基-3-丙基甲基咪唑碘化盐、1，2-二甲基-3-丙基甲基咪唑碘化盐或1，3-二甲基咪唑碘化盐中的一种或两种以上的任意比例的混合物；
所述添加剂为叔丁基吡啶、N-甲基苯并咪唑或N-丁基苯并咪唑的一种。
2.权利要求1所述太阳能电池电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将碘化物加入N，N-双烷基吡咯烷鎓盐，加热熔融后搅拌混合均匀；
(2)再加入碘单质和添加剂，加热熔融后搅拌混合均匀，电解质迅速冷却固化，得到的固态电解质。
3.权利要求2所述太阳能电池电解质的制备方法，其特征在于，步骤(1)中加热熔融后达到的温度为100～250℃。
4.权利要求2所述太阳能电池电解质的制备方法，其特征在于，步骤(2)中加热熔融后达到的温度为100～250℃。
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