CN102683048A - 原位凝胶化组装准固态染料敏化太阳能电池的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种原位凝胶化组装准固态染料敏化太阳能电池的方法，该方法通过以下途径实现：第一步，反应物的纯化：将1-乙烯基咪唑和碘代烷进行减压蒸馏；第二步，凝胶单体的制备：以1,1,1–三氯乙烷作为溶剂，按照1:1~1:1.5的摩尔比加入1-乙烯咪唑与碘代烷，得到1-乙烯基-3-烷基咪唑碘离子液体；第三步，预凝胶电解质溶液的配制：以1-乙烯基-3-烷基咪唑碘离子液体作为溶剂，其中碘化锂浓度为0.1~0.7mol/L，碘浓度为0.01~0.06mol/L，原位预凝胶化反应引发剂偶氮二异丁腈质量百分含量为所述溶剂的0.2~2%，第四步，原位凝胶化组装电池：通过微型循环泵反复多次对电极循环充入预凝胶液，在原位预凝胶化光照条件为强度20-80mW/cm2的红外光照照射下实施原位凝胶化组装准固态染料敏化太阳电池。
Description
技术领域
本发明属于新能源材料技术领域，特别涉及一种原位凝胶化方法组装准固态染料敏化太阳能电池的新方法。
背景技术
染料敏化太阳电池是一种以纳米光电功能材料为基础发展起来的第三代太阳能电池。根据电解质形态可分为液态、全固态和准固态染料敏化太阳能电池。电解质的结构、组成、注入与负载方式是影响染料敏化太阳电池使用寿命的关键因素。一般地，液态电解质易挥发，封装工艺复杂，容易漏液；全固态电解质的扩散渗透能力差，填充过程中容易产生空隙，形成固-固界面阻碍电子传输。准固态电解质呈凝胶状态，具有以下优点：（1）避免了液态电解质的挥发和漏液问题，封装难度有所降低；（2）能够比全固态电解质在电池内部具有更充分的接触；（3）准固态电解质的电导率、电子扩散系数介于液态和全固态之间；（4）对光和热的稳定性比液态电解质有较大幅度的提高。因此，准固态电解质既能够解决封装、漏液、腐蚀和耐受性等问题，又能保持较高的光电转换效率，是一种具有可实用化前景的电解质体系。
目前，准固态电解质主要是通过向液态电解质中添加凝胶材料制备而成。常见凝胶材料有：（1）纳米聚合物，如聚偏二氟乙烯-六氟丙烯；（2）纳米无机化合物，如纳米二氧化硅；（3）有机低分子凝胶，如低聚羟乙基丙烯酸甲酯。当液态电解质凝胶化之后，再通过填塞和挤压的方式填充到电池中。由于加入的凝胶剂不仅自身分子量或者体积较大，在电池内的介孔薄膜中扩散速率低，而且凝胶化过程容易受到外界条件的影响，如温度、湿度和气氛等。因此，不利于提高电池光电转换效率和保持电池性能稳定性。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种原位凝胶化组装准固态染料敏化太阳能
电池的方法，该方法以1-乙烯基-3-烷基咪唑碘离子液体、碘和偶氮二异丁腈作为准固态电解质前体，经过除水、除氧处理之后，注入到电池空腔内，经过充分的扩散渗透后，控制反应条件实施原位凝胶化。通过该法组装准固态染料敏化太阳能电池，可以避免使用有机溶剂；通过控制反应条件，调节凝胶化程度；能够充分地负载到电极的介孔薄膜当中，降低或消除电子传输界面阻力；所组装的电池不仅能获得了较高的光电转换效率，而且能延长电池使用寿命。
技术方案：本发明的原位凝胶化组装准固态染料敏化太阳能电池的方法通过
以下途径实现：
第一步，反应物的纯化：将1-乙烯基咪唑和碘代烷进行减压蒸馏；
第二步，凝胶单体的制备：以1,1,1–三氯乙烷作为溶剂，按照1:1~1:1.5的摩尔比加入1-乙烯咪唑与碘代烷，在干燥氮气和遮光条件下，搅拌、回流8~20小时；待反应体系冷却至室温分层与分液，使用1,1,1–三氯乙烷洗涤得到棕黄色液体；经过80 °C真空干燥过夜，即得到1-乙烯基-3-烷基咪唑碘离子液体；
第三步，预凝胶电解质溶液的配制：以1-乙烯基-3-烷基咪唑碘离子液体作为溶剂，其中碘化锂浓度为0.1~0.7 mol/L，碘浓度为0.01~0.06 mol/L，原位预凝胶化反应引发剂偶氮二异丁腈质量百分含量为所述溶剂的0.2~2%，并对该溶液进行真空干燥和超声除氧预处理；
第四步，原位凝胶化组装电池：在电极两侧均开设直径1 mm的小孔，从对电极一侧小孔中注入经过干燥、除氧预处理的预凝胶电解质溶液，从工作电极一侧小孔外抽取预凝胶液，通过微型循环泵反复多次循环充入，然后封堵注入口，在原位预凝胶化光照条件为强度20-80 mW/cm2的红外光照照射下实施原位凝胶化组装准固态染料敏化太阳电池。
上述碘代烷中烷基取代基可选用甲基、乙基、丙基、丁基或戊基。
上述电池性能测试条件为一个标准太阳光照，强度为100mW/cm2。
上述电池性能老化实验条件为55℃不间断光照1000小时。
上述红外光照时间范围为0.5~3小时，光照强度范围为20~80mW/cm2。
有益效果：本发明通过红外光照引发1-乙烯基-3-烷基咪唑碘，在电池内部实施原位凝胶化组装准固态染料敏化太阳能电池。该法组装电池过程工艺简单，所需设备投资低，电解质组分调节灵活，所得电池效率高、寿命长，具有可实用化前景。
具体实施方式
本发明涉及染料敏化太阳能电池用准固态电解质以及组装工艺。以1-乙烯基-3-丙基咪唑碘为溶剂制备电解质预凝胶液，在电解质为液态的情况下注入电池器件中，以红外灯进行照射实施原位凝胶化，组装得到光电转化效率高、使用寿命长的准固态染料敏化太阳能电池。
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但发明的实施方式不限于此。
实施例1：
以1,1,1–三氯乙烷作为溶剂，按照1:1.05的摩尔比加入1-乙烯基咪唑与碘甲烷，在干燥氮气和遮光条件下，搅拌、回流10小时；待反应体系冷却至室温分层与分液，使用1,1,1–三氯乙烷洗涤得到棕黄色液体；经过80 °C真空干燥过夜，即得到1-乙烯基-3-甲基咪唑碘离子液体。
以1-乙烯基-3-甲基咪唑碘离子液体作为溶剂，碘化锂浓度为0.6 mol/L，碘浓度为0.06 mol/L，偶氮二异丁腈含量为溶剂质量百分比0.2%，混合均匀之后进行除水、除氧等预处理。得到电解质预凝胶液。
在电极两侧上均开有直径1 mm小孔，从对电极一侧小孔中注入电解质预凝胶液，从工作电极一侧小孔外抽取，通过微型循环泵反复多次循环充入，然后封堵注入口。采用光照强度为50 mW/cm2的红外灯照射1小时，实施原位凝胶化组装电池。所得电池的开路电压为0.67V，短路电流为15.3mA/cm2，填充因子为0.65，光电转换效率为6.66%，老化实验之后电池效率保持为6.5%。
实施例2：
以1,1,1–三氯乙烷作为溶剂，按照1:1.1的摩尔比加入1-乙烯基咪唑与碘甲烷，在干燥氮气和遮光条件下，搅拌、回流10小时；待反应体系冷却至室温分层与分液，使用1,1,1–三氯乙烷洗涤得到棕黄色液体；经过80 °C真空干燥过夜，即得到1-乙烯基-3-甲基咪唑碘离子液体。
以1-乙烯基-3-甲基咪唑碘离子液体作为溶剂，碘化锂浓度为0.6 mol/L，碘浓度为0.06 mol/L，偶氮二异丁腈含量为溶剂质量百分比0.4%，混合均匀之后进行除水、除氧等预处理。得到电解质预凝胶液。
在电极两侧上均开有直径1 mm小孔，从对电极一侧小孔中注入电解质预凝胶液，从工作电极一侧小孔外抽取，通过微型循环泵反复多次循环充入，然后封堵注入口。采用光照强度为50 mW/cm2的红外灯照射0.5小时，实施原位凝胶化组装电池。所得电池的开路电压为0.64V，短路电流为12.3mA/cm2，填充因子为0.61，光电转换效率为4.80%，老化实验之后电池效率保持为4.58%。
实施例3：
以1,1,1–三氯乙烷作为溶剂，按照1:1.05的摩尔比加入1-乙烯基咪唑与碘丙烷，在干燥氮气和遮光条件下，搅拌、回流12小时；待反应体系冷却至室温分层与分液，使用1,1,1–三氯乙烷洗涤得到棕黄色液体；经过80 °C真空干燥过夜，即得到1-乙烯基-3-丙基咪唑碘离子液体。
以1-乙烯基-3-丙基咪唑碘离子液体作为溶剂，碘化锂浓度为0.6 mol/L，碘浓度为0.06 mol/L，偶氮二异丁腈含量为溶剂质量百分比0.2%，混合均匀之后进行除水、除氧等预处理。得到电解质预凝胶液。
在电极两侧上均开有直径1 mm小孔，从对电极一侧小孔中注入电解质预凝胶液，从工作电极一侧小孔外抽取，通过微型循环泵反复多次循环充入，然后封堵注入口。采用光照强度为50 mW/cm2的红外灯照射1小时，实施原位凝胶化组装电池。所得电池的开路电压为0.66V，短路电流为15.3mA/cm2，填充因子为0.64，光电转换效率为6.46%，老化实验之后电池效率保持为6.35%。
实施例4：
以1,1,1–三氯乙烷作为溶剂，按照1:1.1的摩尔比加入1-乙烯基咪唑与碘丙烷，在干燥氮气和遮光条件下，搅拌、回流12小时；待反应体系冷却至室温分层与分液，使用1,1,1–三氯乙烷洗涤得到棕黄色液体；经过80 °C真空干燥过夜，即得到1-乙烯基-3-丙基咪唑碘离子液体。
以1-乙烯基-3-丙基咪唑碘离子液体作为溶剂，碘化锂浓度为0.6 mol/L，碘浓度为0.06 mol/L，偶氮二异丁腈含量为溶剂质量百分比0.4%，混合均匀之后进行除水、除氧等预处理。得到电解质预凝胶液。
在电极两侧上均开有直径1 mm小孔，从对电极一侧小孔中注入电解质预凝胶液，从工作电极一侧小孔外抽取，通过微型循环泵反复多次循环充入，然后封堵注入口。采用光照强度为50 mW/cm2的红外灯照射1小时，实施原位凝胶化组装电池。所得电池的开路电压为0.65V，短路电流为14.8mA/cm2，填充因子为0.64，光电转换效率为6.16%，老化实验之后电池效率保持为6.09%。
Claims (2)
1.一种原位凝胶化组装准固态染料敏化太阳能电池的方法，其特征在于该方法通过以下途径实现：
第一步，反应物的纯化：将1-乙烯基咪唑和碘代烷进行减压蒸馏；
第二步，凝胶单体的制备：以1,1,1–三氯乙烷作为溶剂，按照1:1~1:1.5的摩尔比加入1-乙烯咪唑与碘代烷，在干燥氮气和遮光条件下，搅拌、回流8~20小时；待反应体系冷却至室温分层与分液，使用1,1,1–三氯乙烷洗涤得到棕黄色液体；经过80 °C真空干燥过夜，即得到1-乙烯基-3-烷基咪唑碘离子液体；
第三步，预凝胶电解质溶液的配制：以1-乙烯基-3-烷基咪唑碘离子液体作为溶剂，其中碘化锂浓度为0.1~0.7 mol/L，碘浓度为0.01~0.06 mol/L，原位预凝胶化反应引发剂偶氮二异丁腈质量百分含量为所述溶剂的0.2~2%，并对该溶液进行真空干燥和超声除氧预处理；
第四步，原位凝胶化组装电池：在电极两侧均开设直径1 mm的小孔，从对电极一侧小孔中注入经过干燥、除氧预处理的预凝胶电解质溶液，从工作电极一侧小孔外抽取预凝胶液，通过微型循环泵反复多次循环充入，然后封堵注入口，在原位预凝胶化光照条件为强度20-80 mW/cm2的红外光照照射下实施原位凝胶化组装准固态染料敏化太阳电池。
2.根据权利要求1所述的原位凝胶化组装准固态染料敏化太阳能电池的方法，其特征在于所述碘代烷中的烷基取代基为甲基、乙基、丙基、丁基或戊基。
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|---|---|---|---|---|
| CN103333289A (zh) * | 2013-07-10 | 2013-10-02 | 中南大学 | 一种基于RVImX与VAc的共聚物凝胶电解质及其制备方法 |
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| CN105023758A (zh) * | 2015-07-13 | 2015-11-04 | 复旦大学 | 用于染料敏化太阳能电池的离子液体凝胶电解质及其制备方法 |
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| CN102683048B (zh) | 2014-04-02 |
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