CN102496465A - 一种染料敏化太阳能电池用电解质及其制备方法和太阳能电池 - Google Patents
一种染料敏化太阳能电池用电解质及其制备方法和太阳能电池 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种染料敏化太阳能电池用电解质，其包括单质碘、碘盐、溶剂、螯合剂及稀土配合物。本发明还提供该电解质的制备方法。本发明通过添加螯合剂有效抑制了电解质的挥发，并且使电解质体系在30-40℃具有流动性，便于填充进电池，而常温(25℃)下转变为准固态，保持高的电导率的同时使电池封装变得容易，且能延长电池使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池电解质，具体涉及一种染料敏化太阳能电池用电解质及其制备方法和含有该电解质的太阳能电池。
背景技术
太阳能是一种重要的清洁能源和可再生能源。在环境问题和能源危机日益严重的今天，太阳能电池是解决这些危机的有效、实用的手段之一。目前在市场上占主导地位的太阳能电池主要是单晶硅和多晶硅太阳能电池，这两种电池的光电转换效率较高、稳定性好，但硅系太阳能电池对原材料要求苛刻，纯度一般要在99.9999％以上，而且制作工艺复杂，成本居高不下，无法实现超大规模实用化。
瑞士联邦工学院Gratzel教授提出的染料敏化太阳能电池，其结构是在导电玻璃基底上烧结一层纳米多孔TiO2膜，并在上面吸附一层光敏染料作为光阳极，阴极由镀Pt的导电玻璃组成，I3 -/I-氧化还原对存在于阴阳极中间作为电解液或者利用固体电解质来替代I3 -/I-氧化还原对。这类电池具有原材料价格廉价、制作工艺简单的优势，是一类有发展前景的低成本、环境污染小、性能优异的新型太阳能电池。目前用作这种电池电解质主要分为三大类：第一类是将有机或无机碘化物溶于乙腈、乙醇等有机溶剂中形成液体电解液(M.Gratzel，Nature 353(1991)737)；第二类是在上述液体电解质中加入凝胶剂，形成凝胶准固态电解质(W.Kubo，Chem.Lett.(1998)1241)；第三类是用空穴传输材料或聚合物做电解质，即固体电解质(M.Gratzel，Nature 395(1998)583)。采用液态电解质，在转换效率上有明显的优势，但对电池的稳定性和封装都是一项极大的挑战。采用准固态或者全固态的电解质则对于延长电池的寿命，降低封装难度，提高稳定性将有很大的帮助，但由于导电率较低，和电极的接触较差，所以电池的整体效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种染料敏化太阳能电池用电解质及其制备方法，其工艺简单，便于电池封装，且导电率和光电转换效率高。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是该染料敏化太阳能电池用电解质包括单质碘、碘盐、溶剂、螯合剂及稀土配合物。单质碘和碘盐溶于溶剂中，形成I-/I3 -离子对，在染料敏化太阳能电池中通过发生氧化还原反应起着帮助传输电子的作用。而螯合剂能有效抑制电解质的挥发，提高电解质浓度，降低电解质的流动性，能在很大程度上降低电池的封装难度。稀土配合物可以帮助拓宽光的吸收范围，从而帮助提高光的利用率。本发明的电解质因为含有螯合剂如聚乙二醇能够实现在较低温度(30-40℃)下由准固态(即介于液态和固态之间的凝胶态)向熔融态转变，这样制备染料敏化太阳能电池时可方便地将熔融态电解质充入电池，并在较低温度下将准固态的电解质封装。这样既在一定程度上弥补了液态电解质的封装难度，又在一定程度上弥补了准固态和全固态电解质电导率低、和电极接触差的缺陷。
优选的是，所述碘盐包括碘化锂或碘化钾。
优选的是，所述溶剂包括乙腈或乙腈和乙二醇的混合溶剂，稀土配合物使用乙腈作溶剂形成稀土配合物饱和溶液，单质碘和碘盐使用乙腈和乙二醇作为混合溶剂形成混合溶液；乙腈和乙二醇按体积比可为4∶1混合而成。
优选的是，所述螯合剂为聚乙二醇，其分子量为1000-20000。聚乙二醇是比较常见的聚合物，来源丰富，成本低，并且对环境友好。
优选的是，所述稀土配合物是以铽、钐、铕之一为中心离子，与喹啉类配体反应生成。
优选的是，该染料敏化太阳能电池用电解质组分中，稀土配合物溶于溶剂形成稀土配合物饱和溶液，所述稀土配合物饱和溶液与螯合剂按质量比1∶1-1∶1.5，所述单质碘和碘盐按摩尔比1∶10，稀土配合物饱和溶液与螯合剂的均匀混合物在挥发溶剂后与单质碘与碘盐的所述混合溶液按质量比3∶5-1∶1，其中单质碘与碘盐的所述混合溶液中碘离子摩尔比浓度为0.5-2mol/L。
进一步优选的是，所述喹啉类配体为5-硝基-8-羟基喹啉。
本发明还提供上述染料敏化太阳能电池用电解质的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)配制稀土配合物与螯合剂的均匀混合物：将稀土配合物溶于溶剂中制取稀土配合物的饱和溶液，再将稀土配合物的饱和溶液与螯合剂混合，挥发溶剂后得稀土配合物与螯合剂的均匀混合物；
(2)配制单质碘与碘盐的混合溶液：将单质碘和碘盐溶解于乙腈和乙二醇的混合溶剂中，制得单质碘与碘盐的混合溶液；
(3)制备电解质：将步骤(1)得到的稀土配合物与螯合剂的均匀混合物与步骤(2)得到的单质碘与碘盐的混合溶液按比例混合，得到染料敏化太阳能电池用电解质。
优选的是，步骤(1)中所述溶剂为乙腈；所述稀土配合物的饱和溶液与螯合剂按质量比1∶1-1∶1.5混合。
优选的是，步骤(2)中所述混合溶剂为乙腈和乙二醇按体积比为4∶1混合而成。
优选的是，步骤(2)中所述单质碘和碘盐的摩尔比为1∶10，单质碘与碘盐的所述混合溶液中碘离子摩尔比浓度为0.5-2mol/L。
优选的是，步骤(3)中所述稀土配合物与螯合剂的均匀混合物与单质碘与碘盐的混合溶液按质量比3∶5-1∶1混合。
进一步优选的是，步骤(3)中所述稀土配合物与螯合剂的均匀混合物与单质碘与碘盐的混合溶液按质量比4∶5混合。
本发明还提供上述电解质制备的染料敏化太阳能电池，该电池包括上述电解质作为该染料敏化太阳能电池的电解质。且所述染料敏化太阳能电池采用N3或N719为光敏化剂。光敏化剂的作用是吸收太阳光，将基态电子跃迁到激发态，激发态的染料分子向半导体的导带内注入电子，实现电荷分离。电子扩散至导电基底，后流入外电路，处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生，而氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而形成一个循环。本发明所采用的稀土配合物可将吸收的部分可见光转换到所用的N3或N719染料的吸光范围内，从而提高染料敏化太阳能电池的光吸收率，提高电池的转化效率。
本发明的有益效果是：通过添加螯合剂有效抑制了电解质的挥发，并且使电解质体系在30-40℃具有流动性，便于填充进电池，而常温(25℃)下转变为准固态，保持高的电导率的同时使电池封装变得容易，且能延长电池使用寿命。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例提供一种具有良好导电率和光电转换效率的染料敏化太阳能电池用电解质，其组分包括单质碘、碘盐、溶剂、螯合剂及稀土配合物。
现以具体染料敏化太阳能电池用电解质的配方和制备方法为例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例一
以铽为中心离子制备铽和5-硝基-8-羟基喹啉的稀土配合物：
(a)称取1.15g的5-硝基-8-羟基喹啉溶于40mL乙醇与40mL浓度为2.5wt％的氢氧化钠溶液的混合溶剂中，制备成5-硝基-8-羟基喹啉混合液；
(b)称取0.76g氯化铽溶于10mL蒸馏水中制得氯化铽溶液，并在该氯化铽溶液中滴加2.5wt％的盐酸溶液，调节pH值到5.0，缓慢滴加入步骤(a)中配好的5-硝基-8-羟基喹啉混合液，同时搅拌反应，直至滴加完全，得反应物混合物；
(c)将步骤(b)中所得反应物混合物用沙芯漏斗抽滤，分别用蒸馏水和乙醇各洗涤三次，并将产物置于表面皿中在真空烘箱中烘干(在真空度0.02MPa、温度60℃条件下烘8小时)得到铽5-硝基-8-羟基喹啉配合物。
染料敏化太阳能电池用电解质的制备方法如下：
(1)将上述制得的铽5-硝基-8-羟基喹啉配合物溶于乙腈，配置成饱和溶液，取16g该饱和溶液与17g螯合剂聚乙二醇(分子量20000)混合，常温下将混合物中的乙腈挥发干净后得到稀土配合物与螯合剂的均匀混合物；
(2)将0.635g单质碘和4.15g碘化钾(两者摩尔比为1∶10)溶解于40ml乙腈与10ml乙二醇的混合溶剂中(碘离子摩尔比浓度为0.5mol/L)，制得单质碘与碘盐的混合溶液；
(3)将步骤(1)得到的稀土配合物与螯合剂的均匀混合物称取3g与步骤(2)得到的单质碘与碘盐的混合溶液5g混合，得到染料敏化太阳能电池用电解质。所得电解质常温下(25℃)为准固态，30-40℃下转变为熔融态，流动性好，容易充入染料敏化太阳能电池间隙中，冷却后凝固转变为准固态便于电池密封封装及运输。
将上述电解质在熔融状态下(30-40℃)充入由光阳极、染料N3、光阴极、导电基底组成的1.5cm×2cm的染料敏化太阳能电池中，充入电解质后未密封封装，室温下用万用表对本实施例所制得的电解质进行粗测，采用60W的白炽灯与该电池进行连接，测得电池电压为0.64V，电路电流为12mA；3天后得电池电压为0.64V，电路电流为8mA；13天后得电池电压为0.55V，电路电流为4mA。
而采用相同的方法对常规液体电解质(即上述步骤(2)得到的电解质)进行测试，测得电池电压为0.56V，电路电流为12mA；3天后测得电池电压为0.03V，电路电流为0mA。
由以上测试可看出，在未密封的条件下，本实施例制得的电解质与常规液体电解质相比，挥发速率明显降低，并有效延长了染料敏化太阳能电池的使用寿命。
实施例二：
采用与实施例一相同的方法制备铽5-硝基-8-羟基喹啉配合物。
染料敏化太阳能电池用电解质的制备方法如下：
(1)将上述制得的稀土配合物溶于乙腈，配置成饱和溶液，取8g该饱和溶液与12g螯合剂聚乙二醇(分子量10000)混合，常温下将混合物中的乙腈挥发干净后得到稀土配合物与螯合剂的均匀混合物；
(2)将0.635g单质碘和4.15g碘化钾溶解于20ml乙腈与5ml乙二醇的混合溶剂中(碘离子摩尔比浓度为1mol/L)，制得单质碘与碘盐的混合溶液；
(3)将步骤(1)得到的稀土配合物与螯合剂的均匀混合物称取5g与步骤(2)得到的单质碘与碘盐的混合溶液5g混合，得到染料敏化太阳能电池用电解质。
将上述电解质加入到1.5cm×2cm(充入电解质后未密封封装)的染料敏化太阳能电池中，测试结果与实施例一相似。
实施例三
以铕为中心离子制备铕和5-硝基-8-羟基喹啉的配合物：
(a)称取2.3g的5-硝基-8-羟基喹啉溶于80mL乙醇与80mL浓度为2.5wt％的氢氧化钠溶液的混合溶剂中，制备成5-硝基-8-羟基喹啉混合液；
(b)称取1.47g氯化铕溶于20mL蒸馏水中制得氯化铕溶液，并在该氯化铕溶液中滴加2.5wt％的盐酸溶液，调节pH值到5.0，缓慢滴加入步骤(a)中配好的5-硝基-8-羟基喹啉混合液，同时搅拌反应，直至滴加完全，得反应物混合物；
(c)将步骤(b)中所得反应物混合物用沙芯漏斗抽滤，分别用蒸馏水和乙醇各洗涤三次，并将产物置于表面皿中在真空烘箱中烘干(在真空度0.02MPa、温度60℃条件下烘8小时)，得到铕5-硝基-8-羟基喹啉配合物。
染料敏化太阳能电池用电解质的制备方法如下：
(1)将上述制得的稀土配合物铕5-硝基-8-羟基喹啉配合物溶于乙腈，配置成饱和溶液，取16g该饱和溶液与17g螯合剂聚乙二醇(分子量1000)混合，常温下将混合物中的乙腈挥发干净后得到稀土配合物与螯合剂的均匀混合物；
(2)将0.635g单质碘和3.35g碘化锂(两者摩尔比为1∶10)溶解于10ml乙腈与2.5ml乙二醇的混合溶剂(碘离子摩尔比浓度为2mol/L)中，制得单质碘与碘盐的混合溶液；
(3)将步骤(1)得到的稀土配合物与螯合剂的均匀混合物称取3g，与步骤(2)得到的单质碘与碘盐的混合溶液5g混合，得到染料敏化太阳能电池用电解质。
将上述电解质加入到1.5cm×2cm(充入电解质后未密封封装)的染料敏化太阳能电池中，测试结果与实施例一相似。
实施例四
采用与实施例三相同的方法制备铕5-硝基-8-羟基喹啉配合物。
染料敏化太阳能电池用电解质的制备方法如下：
(1)将上述制得的稀土配合物(铕5-硝基-8-羟基喹啉配合物)溶于乙腈中，配置成饱和溶液，取8g该饱和溶液与12g螯合剂聚乙二醇(分子量20000)混合，常温下将混合物中的乙腈挥发干净后得到稀土配合物与螯合剂的均匀混合物；
(2)将0.635g单质碘和3.35g碘化锂溶解于40ml乙腈与10ml乙二醇的混合溶剂中(碘离子摩尔比浓度为0.5mol/L)，制得单质碘与碘盐的混合溶液；
(3)将步骤(1)得到的稀土配合物与螯合剂的均匀混合物5g与步骤(2)得到的单质碘与碘盐的混合溶液5g按比例混合，得到染料敏化太阳能电池用电解质。
将上述电解质加入到1.5cm×2cm(充入电解质后未密封封装)的染料敏化太阳能电池中，测试结果与实施例一相似。
采用与实施例一和实施例二相同的方法制备钐的配合物及相应的电解质，将所得电解质加入到1.5cm×2cm(充入电解质后未密封封装)的染料敏化太阳能电池中，测试结果与实施例一相似。
由以上对本发明实施例的详细描述，可以了解本发明解决了常规液体型染料敏化太阳能电池电解质不易封装、使用寿命短的困难情况，同时避免了固态电解质电导率差，光电转化效率不高的问题。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种染料敏化太阳能电池用电解质，其特征在于包括单质碘、碘盐、溶剂、螯合剂及稀土配合物。
2.根据权利要求1所述的电解质，其特征在于所述碘盐包括碘化锂或碘化钾。
3.根据权利要求2所述的电解质，其特征在于所述溶剂包括乙腈或乙腈和乙二醇的混合溶剂，稀土配合物使用乙腈作溶剂形成稀土配合物饱和溶液，单质碘和碘盐使用乙腈和乙二醇作为混合溶剂形成混合溶液。
4.根据权利要求3所述的电解质，其特征在于所述螯合剂为聚乙二醇，其分子量为1000-20000。
5.根据权利要求4所述的电解质，其特征在于所述稀土配合物是以铽、钐、铕之一为中心离子，与喹啉类配体反应生成。
6.根据权利要求5所述的电解质，其特征在于所述喹啉类配体为5-硝基-8-羟基喹啉。
7.根据权利要求6所述的电解质，其特征在于稀土配合物溶于溶剂形成稀土配合物饱和溶液，所述稀土配合物饱和溶液与螯合剂按质量比1∶1-1∶1.5，所述单质碘和碘盐按摩尔比1∶10，稀土配合物饱和溶液与螯合剂的均匀混合物在挥发溶剂后与单质碘与碘盐的所述混合溶液按质量比3∶5-1∶1，其中单质碘与碘盐的所述混合溶液中碘离子摩尔比浓度为0.5-2mol/L。
8.一种权利要求6所述染料敏化太阳能电池用电解质的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)配制稀土配合物与螯合剂的均匀混合物：将稀土配合物溶于溶剂中制取稀土配合物的饱和溶液，再将稀土配合物的饱和溶液与螯合剂混合，挥发溶剂后得稀土配合物与螯合剂的均匀混合物；
(2)配制单质碘与碘盐的混合溶液：将单质碘和碘盐溶解于乙腈和乙二醇的混合溶剂中，制得单质碘与碘盐的混合溶液；
(3)制备电解质：将步骤(1)得到的稀土配合物与螯合剂的均匀混合物与步骤(2)得到的单质碘与碘盐的混合溶液按比例混合，得到染料敏化太阳能电池用电解质。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述稀土配合物的饱和溶液与螯合剂按质量比1∶1-1∶1.5混合。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述单质碘和碘盐的摩尔比为1∶10，单质碘与碘盐的所述混合溶液中碘离子摩尔比浓度为0.5-2mol/L。
11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述稀土配合物与螯合剂的均匀混合物与单质碘与碘盐的混合溶液按质量比3∶5-1∶1混合。
12.一种染料敏化太阳能电池，其特征在于包括权利要求1-7任一所述的电解质作为该染料敏化太阳能电池的电解质。
13.根据权利要求12所述的染料敏化太阳能电池，其特征在于所述染料敏化太阳能电池采用N3或N719为光敏化剂。
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