CN103489644B - 碘基聚合物凝胶电解质及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种染料敏化太阳能电池用碘基聚合物凝胶电解质及其制备方法。所述碘基聚合物凝胶电解质由侧链带有N‑杂环的聚合物（如PVP、P4VP等）、无机碘盐（如LiI、KI等）、碘单质、有机溶剂（如PC、EC等）及PVDF组成。其制备方法是将聚合物、无机碘盐和碘单质先后按照一定比例加入有机溶剂中，加热至90℃并且搅拌至溶解完全，冷却至室温即可得到凝胶电解质。本发明所制备的凝胶电解质室温电导率为2‑6mS/cm，应用于染料敏化太阳能电池可以获得与液体电解质相当的光电转化效率，并且展示出良好的稳定性。此外，本发明所涉及聚合物凝胶电解质，原料易得，制备工艺简单，具有良好的应用前景。

Description

碘基聚合物凝胶电解质及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于染料敏化太阳能电池的电解质及其制备方法，属于新材料技术及新能源技术领域。
背景技术
染料敏化太阳能电池(dye-sensitised solar cell，DSSC)是模拟光合作用的再生式的光化学太阳能电池，自1991年面世以来，以其高效率、相对于传统硅电池低成本、原材料丰富、工艺技术相对简单、原材料和生产工艺无毒、无污染、部分材料可以得到充分的回收等优势，具有很好的应用前景。电解质是电池重要组成部分，其形态与性能的优劣直接影响到了整个电池的尺寸与性能。传统的液态电解质虽然在电池中表现出了良好的性能，但其易泄漏、易挥发、安全性差等劣势已经严重限制了电池的稳定性与规模化。而固态或者准固态电解质以其良好的离子导电性、薄型化、可集成、可弯曲等特性成为了目前替代液态电解质的最优选择。
现有的制备高分子凝胶电解质的方法是将一定种类的聚合物如聚氧乙烯、聚乙腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯等与高介电常数的有机小分子作用形成凝胶，再掺入无机碘盐等，上述制备方法中无机盐与聚合物的形容性不好，故无法制备高电导率的聚合物凝胶电解质。
发明内容
真对现有技术的上述问题，本发明人进行了深入研究。
侧链含N杂环的聚合物(如PVP)，由于分子结构具有强极性和易形成氢键的酞胺基团，这使它能结合一些极性小分子，同时分子内的氮原子是典型的配位原子，使其能够与许多不同的化合物生成络合物。例如PVP与碘络合可生成聚乙烯吡咯烷酮-碘(PVP-I2)，是一种很好的碘释放剂。
基于上述考虑和构思，本发明人提出利用侧链含N杂环的聚合物的这种特性来制备高性能的染料敏化太阳能电池用凝胶电解质，并进行了相关试验和测试，实现了该高性能的染料敏化太阳能电池用凝胶电解质的制备。
本发明的目的在于提供一种性能良好、制备工艺简单、价格低廉的新型染料敏化太阳能电池用凝胶电解质及其制备方法。使其可以替代染料敏化太阳能电池使用的液体电解质，为染料敏化太阳能电池的实用化奠定良好的基础。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于染料敏化太阳能电池的碘基聚合物凝胶电解质的制备方法，其特征在于包括：
A)将侧链带有氮杂环的聚合物与聚偏氟乙烯按照质量比为10/90～90/10的比例溶解于高沸点有机溶剂，得到聚合物浓度为8～15wt％的透明聚合物溶液；
B)在把步骤A)中所制备的所述透明聚合物溶液加热至80-90℃并且搅拌的情况下，将无机碘盐和碘单质按照无机碘盐/碘单质物质的量之比为5/1～40/1的比例，添加到所述透明聚合物溶液中，至无机碘盐及碘单质完全溶解并均匀分散在该聚合物溶液中，并继续搅拌，得到碘基聚合物凝胶电解质，
C)将上述碘基聚合物凝胶电解质陈化和纯化，然后把陈化和纯化后的凝胶电解质冷却密封备用，
其中：
所述聚偏氟乙烯的加入量为0～8wt％，所述碘单质的加入量为0.01～1mol/L，所述无机碘盐的加入量为0.01～1mol/L。
根据本发明的另一个方面，提供了用上述制备方法制备的碘基聚合物凝胶电解质。
根据本发明的又一个方面，提供了一种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包括上述的碘基聚合物凝胶电解质。
附图说明
图1为基于凝胶电解质染料敏化太阳能电池的I-V曲线
具体实施方式
根据本发明的一个方面，提供了一种染料敏化太阳能电池用碘基聚合物凝胶电解质，所述凝胶电解质含有侧链带有氮杂环的聚合物、聚偏氟乙烯、碘单质、碘化物、高沸点有机溶剂；所述侧链带有氮杂环的聚合物的浓度为8～15wt％，所述聚偏氟乙烯乙烯的加入量为0～8wt％，所述碘的加入量为0.01～1mol/L，所述碘化物的加入量为0.01～1mol/L。
根据本发明的一个实施例，在上述聚合物凝胶电解质中，侧链带有氮杂环的聚合物为从聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯吡啶(PV4P)、聚乙烯三唑中选出的至少一种或者是它们的混合物。
根据本发明的一个实施例，在上述聚合物凝胶电解质中，所述无机碘盐为碘化锂(LiI)、碘化钾(KI)、碘化钠(NaI)、碘化铵(NH4I)。
根据本发明的一个实施例，在上述聚合物凝胶电解质中，所述高沸点有机溶剂为丙烯碳酸酯(PC)、乙烯碳酸酯(EC)中的一种或者两种的混合溶剂。
根据本发明的一个进一步的方面，提供了碘基聚合物凝胶电解质的制备方法，其特征在于包括：
A)将具有带有N杂环的侧链的聚合物与PVDF按照一定比例(质量比为10/90～90/10)溶解于高沸点有机溶剂得到聚合物浓度为8～15wt％的透明聚合物溶液；其中，所述高沸点有机溶剂是丙烯碳酸酯(PC)、乙烯碳酸酯(EC)中的至少一种；
B)在把步骤A)中所制备的所述透明聚合物溶液加热至80-90℃并且搅拌的条件下，将无机锂盐和碘单质按照一定比例(其中，碘盐/碘单质物质的量之比为5/1～40/1)添加到所述透明聚合物溶液中，至锂盐及碘单质完全溶解并均匀分散在该聚合物溶液中，并继续搅拌，得到碘基聚合物凝胶电解质。
根据一个进一步的实施例，将上述碘基聚合物凝胶电解质陈化和纯化，然后把陈化和纯化后的凝胶电解质冷却密封备用。
本发明的优点包括：
－所述聚合物凝胶电解质与传统凝胶电解质相比，所用的聚合物与碘有良好的相容性，对电解质的电导率及碘的迁移都有大的贡献；
－所述聚合物凝胶电解质原材料易得，价格低廉，易于封装，用其制造的电池光电转化效率高，稳定性好；
－可以通过简单调控骨架聚合物和亲功能聚合物的重量比来调控凝胶电解质的电导率和凝胶状况，便于开发以系列产品以满足不同应用领域的需求。
实施例1：
称取4.25g碳酸乙烯酯，在磁力搅拌器上加热搅拌直至完全熔化；
称取0.386g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，将其溶于上述碳酸乙烯酯溶剂中，加热搅拌直至溶解完全；
在80℃加热搅拌的条件下，将0.038g碘单质和0.603g碘化锂加入到上述聚合物溶液中，持续搅拌12小时，得到均匀凝胶电解质；
所得凝胶电解质的室温电导率为4mS/cm，采用此凝胶电解质组装的DSSC，在100mW/cm2的模拟太阳光下光电转化效率为4.5％。
实施例2：
称取0.4g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，将其溶称取4.25g碳酸丙烯酯溶剂中，加热搅拌搅拌直至溶解完全；
在80℃加热搅拌的条件下，将0.076g碘单质和0.805g碘化钾加入到上述聚合物溶液中，持续搅拌12小时，得到均匀凝胶电解质；
所得凝胶电解质的室温电导率为3mS/cm，采用此凝胶电解质组装的DSSC，在100mW/cm2的模拟太阳光下光电转化效率为4.2％。
实施例3：
称取1.75g碳酸乙烯酯和2.5g碳酸丙烯酯，在磁力搅拌器上搅拌混合作为溶剂，搅拌直至溶解完全；
称取0.4g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，将其溶于上述碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯的混合溶剂中，搅拌直至溶解完全；
在80℃加热搅拌的条件下，将0.038g碘单质和0.603g碘化锂加入到上述聚合物溶液中，持续搅拌12小时，得到均匀凝胶电解质；
所得凝胶电解质的室温电导率为6mS/cm，采用此凝胶电解质组装的DSSC，在100mW/cm2的模拟太阳光下光电转化效率为6％。
实施例4：
称取1.75g碳酸乙烯酯和2.5g碳酸丙烯酯，在磁力搅拌器上搅拌混合作为溶剂，搅拌直至溶解完全；
称取0.386g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和0.094g聚偏氟乙烯(PVDF)，将其溶于上述碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯的混合溶剂中，搅拌直至溶解完全；
在80℃加热搅拌的条件下，将0.038g碘单质和0.603g碘化锂加入到上述聚合物溶液中，持续搅拌12小时，得到均匀凝胶电解质；
所得凝胶电解质的室温电导率为6mS/cm，采用此凝胶电解质组装的DSSC，在100mW/cm2的模拟太阳光下光电转化效率为7.2％。
实施例5：
称取1.75g碳酸乙烯酯和2.5g碳酸丙烯酯，在磁力搅拌器上搅拌混合作为溶剂，搅拌直至溶解完全；
称取0.450g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和0.150g聚偏氟乙烯(PVDF)，将其溶于上述碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯的混合溶剂中，搅拌直至溶解完全；
在80℃加热搅拌的条件下，将0.038g碘单质和0.603g碘化铵加入到上述聚合物溶液中，持续搅拌12小时，得到均匀凝胶电解质；
所得凝胶电解质的室温电导率为3mS/cm，采用此凝胶电解质组装的DSSC，在100mW/cm2的模拟太阳光下光电转化效率为4％。
对比实施例:
称取1.75g碳酸乙烯酯和2.5g碳酸丙烯酯，在磁力搅拌器上搅拌混合作为溶剂，搅拌直至溶解完全；
在80℃加热搅拌的条件下，将0.038g碘单质和0.603g碘化锂加入到上述混合溶剂中，持续搅拌12小时，得到液态电解质；
所得凝胶电解质的室温电导率为9mS/cm，采用此液态电解质组装的DSSC，在100mW/cm2的模拟太阳光下光电转化效率为9％。
从以上实施例可见，本发明中较优选的凝胶电解质，其光电转化效率可以达到7.2％(实施例4)，已经非常接近采用液态电解质所组装的DSSC对比实施例的光电转化效率，表明本发明专利所制备的凝胶电解质具有很好的应用前景。

Claims (6)

1.一种用于染料敏化太阳能电池的碘基聚合物凝胶电解质的制备方法，其特征在于包括：
A)将侧链带有氮杂环的聚合物与聚偏氟乙烯按照质量比为10/90～90/10的比例溶解于高沸点有机溶剂，得到侧链带有氮杂环的聚合物浓度为8～15wt％的透明聚合物溶液；
B)在把步骤A)中所制备的所述透明聚合物溶液加热至80-90℃并且搅拌的情况下，将无机碘盐和碘单质按照无机碘盐/碘单质物质的量之比为5/1～40/1的比例，添加到所述透明聚合物溶液中，至无机碘盐及碘单质完全溶解并均匀分散在该聚合物溶液中，并继续搅拌，得到碘基聚合物凝胶电解质，
C)将上述碘基聚合物凝胶电解质陈化和纯化，然后把陈化和纯化后的凝胶电解质冷却密封备用，
其中：
所述聚偏氟乙烯的加入量为0～8wt％，所述碘单质的加入量为0.01～1mol/L，所述无机碘盐的加入量为0.01～1mol/L。
2.根据权利要求1的碘基聚合物凝胶电解质的制备方法，其特征在于
其中，所述高沸点有机溶剂是一种混合溶剂，其包括丙烯碳酸酯(PC)和乙烯碳酸酯(EC)中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的碘基聚合物凝胶电解质的制备方法，其特征在于：所述侧链带有氮杂环的聚合物为从下列物质中选出的至少一种或者是它们的混合物：
聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，
聚乙烯吡啶(PV4P)，
聚乙烯三唑。
4.根据权利要求1或2所述的碘基聚合物凝胶电解质的制备方法，其特征在于：所述无机碘盐为从下列物质中选出的至少一种或它们的混合物：
碘化锂(LiI)、
碘化钾(KI)、
碘化钠(NaI)、
碘化铵(NH4I)。
5.用根据权利要求1－4之一所述的碘基聚合物凝胶电解质的制备方法制备的碘基聚合物凝胶电解质。
6.一种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包括根据权利要求5所述的碘基聚合物凝胶电解质。
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