CN102543449B - 一种固态磁性聚合物电解质及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

一种固态磁性聚合物电解质及其制备方法与应用，该固态磁性聚合物电解质由以下质量百分比的原料制成：N-甲基吡咯烷酮60～98%、琼脂糖聚合物1～8%、磁性纳米粒子改性剂0.5～8%、表面活性剂1～10%、碘化锂和碘的无机混合物0.8～2%。本发明还包括该固态磁性聚合物电解质的制备方法与应用。本发明制备的磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物电解质，方法简单易行，能有效解决染料敏化太阳能电池液体电解质封装难，易泄漏和挥发的问题，提高染料敏化太阳能电池的稳定性，提高其光电转化效率，实现染料敏化太阳能电池的开发应用。

Description

一种固态磁性聚合物电解质及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于染料敏化太阳能电池领域，尤其是涉及一种固态磁性聚合物电解质及其制备方法与应用。

背景技术

和传统的硅太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池是一种廉价，效率相对较高的新型绿色光电转换器件。染料敏化太阳能电池主要由TiO₂/染料,电解质和对电极构成。目前，用于染料敏化太阳能电池的电解质常为包含I^－和I₃ ^－氧化还原电对的液态电解质。由于液态电解质采用的有机溶剂沸点低，易挥发，流动性大，因而在实践中存在难封装、易渗漏等难以克服的缺陷，使得染料敏化太阳能电池的使用寿命短，稳定性差，不能在实际生活中得以运用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中使用液态电解质的不足，提供一种电导率高，稳定性好，制备过程简单，成本低的固态磁性聚合物电解质及其制备方法与应用。

本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是：

本发明之固态磁性聚合物电解质，由以下质量百分比的原料制成：N-甲基吡咯烷酮60～98%、琼脂糖聚合物1～8%、磁性纳米粒子改性剂0.5～8%、表面活性剂1～10%、碘化锂和碘的无机混合物0.8～2%，各原料质量百分比之和为100％；

所述碘化锂和碘的无机混合物中，碘化锂的质量百分比为 10～40%，碘的质量百分比为60～90%。

所述磁性纳米粒子改性剂优选纳米NiO、纳米Fe₂O₃或纳米Co₃O₄；

所述表面活性剂优选聚乙烯基吡咯烷酮、吐温-80或十二烷基磺酸钠。

本发明之固态磁性聚合物电解质的制备方法，包括以下步骤：

（1）将琼脂糖聚合物加入N-甲基吡咯烷酮溶剂中，密封，在60～90°C恒温水浴下搅拌1～4小时，形成均一的溶液，得琼脂糖聚合物溶液；

（2）将磁性纳米粒子改性剂以及表面活性剂加入到步骤（1）所得琼脂糖聚合物溶液中，密封，在60～90°C恒温水浴下搅拌2～4小时，形成均匀的溶液，得磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物溶液；

（3）将碘化锂和碘的无机混合物加入到步骤（2）所得磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物溶液当中，密封，在60～80°C恒温水浴下搅拌1～4小时，即得到均匀粘稠的磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物电解质。

本发明之固态磁性聚合物电解质的应用：

按常规染料敏化太阳能电池的组装工艺，将染料敏化TiO₂电极置于恒温在60～90℃的烘箱中，将制得的磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物电解质滴加在染料敏化TiO₂电极表面，在60～90℃下烘烤，使得聚合物电解质收缩到粘稠状，加上对电极，继续在60～90℃下烘烤1～2小时，制成固态染料敏化太阳能电池。

本发明采用资源丰富、廉价的富含羟基的天然高分子琼脂糖聚合物为基体，聚合物基体琼脂糖是一种分子结构中富含羟基的的结晶度小的聚合物，可以通过氢键与磁性纳米粒子改性剂表面的羟基作用，形成交连的网络结构，有利于氧化还原电对在共混聚合物电解质当中的有效传输；同时由于富含羟基的琼脂糖聚合物基体对无机盐的离解能力，能提高电解质体系的电导，使电解质电导率高，将其应用于染料敏化太阳能电池，可以有效地提高太阳能电池的效率；采用磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物电解质得到磁性聚合物电解质，由于在磁场的作用下磁性聚合物电解质可形成定向排列和运动，可提高电解质某个方向上的电导，磁场作用下定向排列的磁性聚合物电解质具有比无序状态聚合物电解质更低的界面电阻以及更好的填充性，可用在染料敏化太阳能电池领域，提高其光电转化效率。

本发明制备的磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物电解质，方法简单易行，能有效解决染料敏化太阳能电池液体电解质封装难，易泄漏和挥发的问题，提高染料敏化太阳能电池的稳定性，实现染料敏化太阳能电池的开发应用。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

对照例

本对照例之固态聚合物电解质，由以下质量百分比的原料制成：N-甲基吡咯烷酮96%、琼脂糖聚合物2%、磁性纳米粒子改性剂0%、表面活性剂十二烷基磺酸钠 1.2%、碘化锂和碘的无机混合物0.8%；

所述碘化锂和碘的无机混合物中，质量百分比组成为：碘化锂25%、碘75%。

本对照例之固态聚合物电解质的制备方法如下：

（1）将琼脂糖聚合物加入N-甲基吡咯烷酮溶剂中，密封，在65°C恒温水浴下搅拌4小时，形成均一的溶液，得琼脂糖聚合物溶液；

（2）将表面活性剂十二烷基磺酸钠加入到步骤（1）所得琼脂糖聚合物溶液中，密封，在75°C恒温水浴下搅拌2.5小时，形成均匀的溶液，得改性的琼脂糖聚合物溶液；

（3）将碘化锂和碘的无机混合物加入到步骤（2）所得改性的琼脂糖聚合物溶液当中，密封，在60℃恒温水浴下搅拌4小时，即得到均匀粘稠的琼脂糖聚合物电解质。

本对照例之固态磁性聚合物电解质的应用：

按常规染料敏化太阳能电池的组装工艺，将染料敏化TiO₂电极置于恒温在65℃的烘箱中，将制得的琼脂糖聚合物电解质滴加在染料敏化TiO₂电极表面，在65℃下烘烤，使得聚合物电解质收缩到粘稠状，加上对电极，继续在65℃下烘烤2小时，制成固态染料敏化太阳能电池。

测试本对照例所得固态染料敏化太阳能电池的性能：在室温环境，使用氙灯模拟太阳光，光强为80mW/cm²(光强：使用硅光电二极管标定条件下)，有效光照面积为0.25cm²，测得琼脂糖聚合物电解质组装的染料敏化二氧化钛太阳能电池光电转换效率为1.77%。

实施例1

本实施例之固态磁性聚合物电解质，由以下质量百分比的原料制成：N-甲基吡咯烷酮96.7%、琼脂糖聚合物1%、磁性纳米粒子改性剂纳米NiO 0.5%、表面活性剂吐温-80 1%、碘化锂和碘的无机混合物0.8%；

所述碘化锂和碘的无机混合物中，质量百分比组成为：碘化锂35%、碘65%；

本实施例之固态磁性聚合物电解质的制备方法如下：

（1）将琼脂糖聚合物加入N-甲基吡咯烷酮溶剂中，密封，在80°C恒温水浴下搅拌2小时，形成均一的溶液，得琼脂糖聚合物溶液；

（2）将磁性纳米粒子改性剂纳米NiO以及表面活性剂吐温-80加入到步骤（1）所得琼脂糖聚合物溶液中，密封，在60°C恒温水浴下搅拌4小时，形成均匀的溶液，得磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物溶液；

（3）将碘化锂和碘的无机混合物加入到步骤（2）所得磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物溶液当中，密封，在70°C恒温水浴下搅拌3小时，得到均匀粘稠的磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物电解质。

本实施例之固态磁性聚合物电解质的应用：

按常规染料敏化太阳能电池的组装工艺，将染料敏化TiO₂电极置于恒温在70℃的烘箱中，将制得的磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物电解质滴加在染料敏化TiO₂电极表面，在70℃下烘烤，使得聚合物电解质收缩到粘稠状，加上对电极，继续在70℃下烘烤2小时，制成固态染料敏化太阳能电池。

测试本实施例所得固态染料敏化太阳能电池的性能：在室温环境，使用氙灯模拟太阳光，光强为80 mW/cm²(光强：使用硅光电二极管标定条件下)，有效光照面积为0.25cm²，测得经0.5%磁性纳米NiO改性的琼脂糖聚合物电解质组装的染料敏化二氧化钛太阳能电池光电转换效率为4.74%。

实施例2

本实施例之固态磁性聚合物电解质，由以下质量百分比的原料制成：N-甲基吡咯烷酮87.5%、琼脂糖聚合物3%、磁性纳米粒子改性剂纳米Fe₂O₃ 5%、表面活性剂聚乙烯基吡咯烷酮3%、碘化锂和碘的无机混合物1.5%。

所述碘化锂和碘的无机混合物中，，质量百分比组成为：碘化锂15%、碘85%。

本实施例之固态磁性聚合物电解质的制备方法如下：

（1）将琼脂糖聚合物加入N-甲基吡咯烷酮溶剂中，密封，在75°C恒温水浴下搅拌3小时，形成均一的溶液，得琼脂糖聚合物溶液；

（2）将磁性纳米粒子改性剂纳米Fe₂O₃以及表面活性剂聚乙烯基吡咯烷酮加入到步骤（1）所得琼脂糖聚合物溶液中，密封，在75°C恒温水浴下搅拌2小时，形成均匀的溶液，得磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物溶液；

（3）将碘化锂和碘的无机混合物加入到步骤（2）所得磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物溶液当中，密封，在75°C恒温水浴下搅拌2小时，得到均匀粘稠的磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物电解质。

本实施例之固态磁性聚合物电解质的应用：

按常规染料敏化太阳能电池的组装工艺，将染料敏化TiO₂电极置于恒温在75℃的烘箱中，将制得的磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物电解质滴加在染料敏化TiO₂电极表面，在75℃下烘烤，使得聚合物电解质收缩到粘稠状，加上对电极，继续在75℃下烘烤1.5小时，制成固态染料敏化太阳能电池。

测试本实施例所得固态染料敏化太阳能电池的性能：在室温环境，使用氙灯模拟太阳光，光强为80 mW/cm²(光强：使用硅光电二极管标定条件下)，有效光照面积为0.25cm²，测得经5%磁性纳米Fe₂O₃改性的琼脂糖聚合物电解质组装的染料敏化二氧化钛太阳能电池的光电转换效率为2.92%。

实施例3

本实施例之固态磁性聚合物电解质，由以下质量百分比的原料制成：N-甲基吡咯烷酮72%、琼脂糖聚合物8%、磁性纳米粒子改性剂纳米Co₃O₄ 8%、表面活性剂十二烷基磺酸钠10%、碘化锂和碘的无机混合物2%；

所述碘化锂和碘的无机混合物中，质量百分比为：碘化锂10%、碘90%。

本实施例之固态磁性聚合物电解质的制备方法如下：

（1）将琼脂糖聚合物加入N-甲基吡咯烷酮溶剂中，密封，在90°C恒温水浴下搅拌1小时，形成均一的溶液，得琼脂糖聚合物溶液；

（2）将磁性纳米粒子改性剂纳米Co₃O₄以及表面活性剂十二烷基磺酸钠加入到步骤（1）所得琼脂糖聚合物溶液中，密封，在90°C恒温水浴下搅拌2小时，形成均匀的溶液，得磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物溶液；

（3）将碘化锂和碘的无机混合物加入到步骤（2）所得磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物溶液当中，密封，在80°C恒温水浴下搅拌2.5小时，得到均匀粘稠的磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物电解质。

本实施例之固态磁性聚合物电解质的应用：

按常规染料敏化太阳能电池的组装工艺，将染料敏化TiO₂电极置于恒温在90℃的烘箱中，将制得的磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物电解质滴加在染料敏化TiO₂电极表面，在90℃下烘烤，使得聚合物电解质收缩到粘稠状，加上对电极，继续在90℃下烘烤1小时，制成固态染料敏化太阳能电池。

测试本实施例所得固态染料敏化太阳能电池的性能：在室温环境，使用氙灯模拟太阳光，光强为80mW/cm²(光强：使用硅光电二极管标定条件下)，有效光照面积为0.25cm²，测得经8%磁性纳米Co₃O₄改性琼脂糖聚合物电解质组装的染料敏化二氧化钛太阳能电池的光电转换效率为5.42%。

从对照例以及实施例1－3可知，经过本发明0.5%磁性纳米NiO改性的琼脂糖聚合物电解质制备的太阳能电池的光电转换效率为4.74%，比未经磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物电解质太阳能电池的1.77%，提高了约167%；5%磁性纳米Fe₂O₃改性的琼脂糖聚合物电解质制备的太阳能电池的光电转换效率为2.92%，比未经磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物电解质太阳能电池的1.77%，提高了约65%；8%磁性纳米Co₃O₄改性的琼脂糖聚合物电解质制备的太阳能电池的光电转换效率为5.42%，比未经磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物电解质太阳能电池的1.77%，提高了约206％。

本发明之固态磁性聚合物电解质的制备方法简单易行，使用本方法制备的电解质，实现了其在染料敏化太阳能电池中的开发和应用，通过纳米粒子改性的琼脂糖聚合物电解质，能有效提高固态染料敏化太阳能电池的光电转化效率。

Claims (5)

1.一种固态磁性聚合物电解质，其特征在于，由以下质量百分比的原料制成：N-甲基吡咯烷酮60～98%、琼脂糖聚合物1～8%、磁性纳米粒子改性剂0.5～8%、表面活性剂1～10%、碘化锂和碘的无机混合物0.8～2%，各原料质量百分比之和为100％；

所述碘化锂和碘的无机混合物中，碘化锂的质量百分比为 10～40%，碘的质量百分比为60～90%。

2.根据权利要求1所述的固态磁性聚合物电解质，其特征在于，所述磁性纳米粒子改性剂为纳米NiO、纳米Fe₂O₃或纳米Co₃O₄。

3.根据权利要求1或2所述的固态磁性聚合物电解质，其特征在于，所述表面活性剂为聚乙烯基吡咯烷酮、吐温-80或十二烷基磺酸钠。

4.一种如权利要求1所述的固态磁性聚合物电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将琼脂糖聚合物加入N-甲基吡咯烷酮溶剂中，密封，在60～90°C恒温水浴下搅拌1～4小时，形成均一的溶液，得琼脂糖聚合物溶液；

（2）将磁性纳米粒子改性剂以及表面活性剂加入到步骤（1）所得琼脂糖聚合物溶液中，密封，在60～90°C恒温水浴下搅拌2～4小时，形成均匀的溶液，得磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物溶液；

（3）将碘化锂和碘的无机混合物加入到步骤（2）所得磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物溶液当中，密封，在60～80°C恒温水浴下搅拌1～4小时，即得到均匀粘稠的磁性纳米粒子改性的琼脂糖聚合物电解质。

5.一种如权利要求1-3之一所述的固态磁性聚合物电解质在染料敏化太阳能电池中的应用。