CN103531364A - 一种基于塑性晶体的疏水固体电解质及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于塑性晶体的疏水固体电解质及其应用，它由疏水塑性晶体、疏水氧化还原对和添加剂组成。本发明基于塑性晶体的疏水固体电解质，由于由疏水塑性晶体、疏水氧化还原对和添加剂组成，因而对空气中的水份不敏感，可以在100%湿度环境下使用，具有高稳定性；应用该疏水固体电解质制备的染料敏化太阳能电池不需要密封封装，组装程序少，成本低，稳定性和光电转化效率高。

Description

一种基于塑性晶体的疏水固体电解质及其应用

技术领域

本发明涉及一种固体电解质及其应用，尤其涉及一种基于塑性晶体的疏水固体电解质及其应用。

背景技术

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的光电转化效率。常见的染料敏化太阳能电池用电解质有液态、准固态、固态等多种形式。其中液态电解质含有机溶剂，存在易泄漏、易挥发、难封装、稳定性差等缺点；准固态电解质中含有少量的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等溶剂，长时间使用也存在渗漏问题，会造成电池稳定性能的下降。因此，具有高效率和高稳定性的固态电解质对于染料敏化太阳能电池的商业化应用意义重大。

随着对固态电解质研究的越来越深入，新的电解质体系越来越多样化，其中塑性晶体就是一种很好的电解质组分。塑性晶体是由各向异性的分子组成的有机离子晶体，随着温度的升高，塑性晶体里的部分各向异性分子变成各向同性分子，但仍然保持固体状态，在受到外力时，其分子虽然容易变形，却不会断裂。由于塑性晶体电导率高，电化学窗口宽，熔点可控，越来越受到大家的重视[D.R.MacFarlane,J.M.Pringle,Energy Environ.Sci.2011,4,2234;Q.Li,X.Chen,J.Zhao,L.Qiu,Y.Zhang,B.Sun,F.Yan,J.Mater.Chem.2012,22,6674]。然而现有技术中基于塑性晶体的固体电解质具有一定的吸水性，能够吸收空气中的水分，影响了太阳能电池的稳定性，或者需要严格的密封封装，增加了太阳能电池的成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于塑性晶体且不受空气中水分影响的疏水固体电解质。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于塑性晶体的疏水固体电解质，它由疏水塑性晶体、疏水氧化还原对和添加剂组成，所述的疏水塑性晶体为选自满足下述化学通式的塑性晶体中的一种或多种的组合：

上述化学通式中，TFSI^-为双三氟甲基磺酰亚胺阴离子，a和b独立地为1～2的整数，n、d和e独立地为1～4的整数，c和f独立地为1～6的整数。

优化地，所述的疏水塑性晶体、疏水氧化还原对和添加剂的重量百分比分别为：

疏水塑性晶体    50%～80%；

疏水氧化还原对  15%～45%；

添加剂          5%～10%。

优化地，所述的疏水氧化还原对由化学通式为

的组分组成，上述化学通式中g为1～6的整数，m为1～4的整数，h为14～20的整数。

进一步地，所述化学通式为

的组分质量比为1:2～20。

优化地，所述的添加剂为苯并咪唑。

本发明还提供一种基于塑性晶体的疏水固体电解质在染料敏化太阳能电池中的应用。

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：本发明基于塑性晶体的疏水固体电解质，由于由疏水塑性晶体、疏水氧化还原对和添加剂组成，因而对空气中的水份不敏感，可以在100%湿度环境下使用，具有高稳定性；应用该疏水固体电解质制备的染料敏化太阳能电池不需要密封封装，

组装程序少，成本低，稳定性和光电转化效率高。

附图说明

图1为本发明基于塑性晶体的疏水固体电解质组装成电池后在密封、不封装条件下电池性能对比图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述：

本发明基于塑性晶体的疏水固体电解质，它由疏水塑性晶体、疏水氧化还原对和添加剂组成。其中疏水塑性晶体是本发明的核心部分，它是下述塑性晶体化学通式中的一种或多种组成的混合物：

上述化学通式中，TFSI-为双三氟甲基磺酰亚胺阴离子，a和b独立地为1～2的整数，n、d和e独立地为1～4的整数，c和f独立地为1～6的整数。

为了优化该疏水固体电解质的电导率，使得用此制备的染料敏化太阳能电池具有良好的电池性能，其中疏水塑性晶体为主要成分，占50～80wt%；疏水氧化还原对和添加剂分别为15～45wt%、5～10wt%（wt%为重量百分比）。

具体地，疏水氧化还原对由化学通式为

的组分组成，且其质量比为1:2～20，上述化学通式中g为1～6的整数，m为1～4的整数，h为14～20的整数；添加剂为苯并咪唑（英文缩写NBB）。

对本发明基于塑性晶体的疏水固体电解质进行了一些电化学测试，并将其应用于制备染料敏化太阳能电池，测试了电池性能，取得了不错的效果（除上述基于塑性晶体的疏水固体电解质之外，染料敏化太阳能电池其它组分没有特别限制，可以使用现有技术中已知的那些）。

实施例1

制备疏水固体电解质并测定电导率：

将0.8g

0.05g

0.1g

0.05g NBB研磨均匀后，置于压片机中，在10～20MPa下压制成1cm*1cm的薄片，将这些薄片分别夹在两块不锈钢电极之间，使薄片与不锈钢电极的接触面积为1cm*1cm，用两电极法将其连接到电化学工作站上测得其电导率为1.9×10^–4S cm^–1。

组装染料敏化太阳能电池并测定性能：

用超声波将FTO导电玻璃清洗干净，将其浸入在70℃40mM TiCl₄水溶液中保持30min，从而在FTO导电玻璃表面形成一层致密的TiO₂膜，随后取出FTO导电玻璃用乙醇冲洗后自然晾干；用刮涂技术，分别将P25浆料、P400浆料涂于TiO2膜上再形成厚度分别为8μm和3μm的TiO₂涂层，加热至500℃煅烧，待FTO导电玻璃自然冷却到80℃时，浸入染料Z907溶液中12h，取出作为光阳极；用H₂PtCl₆溶液在另一块FTO导电玻璃涂一薄层做为对电极；通过热塑膜将光阳极和对电极封在一起，向对电极上预留的小孔内滴加数滴甲醇稀释后的基于塑性晶体的疏水固体电解质溶液，利用真空填充技术将该溶液浸润到光阳极上，同时加热至60～80℃除去甲醇（不需要封住小孔）。

使得该染料敏化太阳能电池处于100%湿度（通过小孔与外界相连）、室温条件下，使用氙灯模拟太阳光，在100mW/cm²下，测得电池（有效面积0.16cm²）光电转换效率为2.8%。

实施例2

使用与实施例1相同的方法组装染料敏化太阳能电池，并测试其光电转换效率。不同之处在于疏水固体电解质的组分及含量的不同，本实施例中疏水固体电解质含0.5g

0.02g

0.38g

0.1g NBB，测得电导率为1.3×10^–4Scm^–1、电池光电转换效率为3.0%。

实施例3

使用与实施例1相同的方法组装染料敏化太阳能电池，并测试其光电转换效率。不同之处在于疏水固体电解质的组分及含量的不同，本实施例中疏水固体电解质含0.7g

0.024g

0.216g

0.06g NBB，测得电导率为2.4×10^–4S cm^–1、电池光电转换效率为2.65%。

实施例4-20

使用与实施例1相同的方法组装染料敏化太阳能电池，并测试其光电转换效率。不同之处在于疏水固体电解质中选用不同的疏水塑性晶体，最终测得的疏水固体电解质电导率和电池光电转换效率列于表1中。

表1

对比试验1

使用与实施例1相同的固体电解质组装染料敏化太阳能电池，不同之处在于最后组装的染料敏化太阳能电池需要封装，即除去甲醇后封住小孔，因此其处于干燥条件下。在室温下，使用氙灯模拟太阳光，光强100mW/cm²条件下，对所制备的染料敏化太阳能电池进行光电测试，并延长测试时间至800小时，测试数据见图1。从图1中可以看出，固体电解质组装的染料敏化太阳能电池密封与否对其性能影响不大，说明了该固体电解质对空气中水分不敏感，具有良好的稳定性。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1. 一种基于塑性晶体的疏水固体电解质，其特征在于：它由疏水塑性晶体、疏水氧化还原对和添加剂组成，所述的疏水塑性晶体为选自满足下述化学通式的塑性晶体中的一种或多种的组合：

、

、、

、

、

、

、

和，

上述化学通式中，TFSI^-为双三氟甲基磺酰亚胺阴离子，a和b独立地为1~2的整数，n、d和e独立地为1~4的整数，c和f独立地为1~6的整数。

2. 根据权利要求1所述的基于塑性晶体的疏水固体电解质，其特征在于：所述的疏水塑性晶体、疏水氧化还原对和添加剂的重量百分比分别为：

疏水塑性晶体      50%~80%；

疏水氧化还原对    15%~45%；

添加剂           5%~10%。

3.根据权利要求1所述的基于塑性晶体的疏水固体电解质，其特征在于：所述的疏水氧化还原对由化学通式为

和

的组分组成，上述化学通式中g为1~6的整数，m为1~4的整数，h为14~20的整数。

4.根据权利要求3所述的基于塑性晶体的疏水固体电解质，其特征在于：所述化学通式为

和

的组分质量比为1:2~20。

5.根据权利要求1所述的基于塑性晶体的疏水固体电解质，其特征在于：所述的添加剂为苯并咪唑。

6.权利要求1至6中任一所述的基于塑性晶体的疏水固体电解质在染料敏化太阳能电池中的应用。

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