CN104616899A - 一种染料敏化太阳能光电板的制备方法 - Google Patents

一种染料敏化太阳能光电板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种染料敏化太阳能光电板的制备方法，首先将质量比分别为2～6∶1～5∶1～3的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和N-甲基吡咯烷酮混合，搅拌均匀后作为溶剂，加入碘化合物和碘单质，继续搅拌；然后加入质量分数为8％～15％凝胶剂，80℃搅拌2～5h至形成均一溶液，得凝胶聚合物电解质；最后将所述凝胶聚合物电解质涂布在染料溶液中敏化后的二氧化钛光阳极膜上，后将铂对电极覆盖在所述凝胶聚合物电解质表面上，得染料敏化太阳能光电板。本发明制备得到的太阳能光电板光电转换效率高、机械强度和光电稳定性好，使用寿命长，制备工艺简单，成本低，利于工业化生产。

Description

一种染料敏化太阳能光电板的制备方法
技术领域
本发明涉及光电转换和新能源领域，特别涉及一种染料敏化太阳能光电板的制备方法。
背景技术
目前，开发和利用新能源是当今各国必须首先解决的重大课题。在诸多新能源中，太阳能以其丰富的储量、清洁无污染、地域限制小等优点受到了广泛的关注。太阳能光电板可利用光伏效应，直接将太阳的光转换成电能加以利用。太阳能光电板主要是以半导体材料为基础，根据所用材料的不同，可分为硅系、多元化合物薄膜、有机和燃料敏化等类型。其中，染料敏化太阳能光电板由于理论转换效率高、制作工艺简单、成本低、对环境友好和寿命长等优点，成为了新一代天阳能光电板研究中的热点。
典型的染料敏化太阳能光电板的主要结构包括二氧化钛阳极、钌基染料分子、碘基液态电解质和铂对电极。作为染料敏化太阳能光电板的主要组成部分，电解质体系除了起到复原染料和传输电荷的作用外，还会引起二氧化钛、染料及氧化还原电对能级的改变，导致体系的热力学和动力学特性的变化，从而对电池的光电压和光电转化效率产生很大的影响。
目前，染料敏化太阳能光电板较高的光电转化效率基本上都是在液体电解质体系中获得的。但液态电解质存在着沸点低、易挥发、流动性大、易泄露、稳定性差等问题。固体电解质可以避开这些缺点，但又存在电导率低导致光转换效率相对较低、电解质与电极界面浸润性差等缺点。
发明内容
通过各种广泛且细致的研究和试验，本发明的发明人制备得到一种导电率高的准固态电解质，并将其应用到染料敏化太阳能光电板中。基于此，完成了本发明。
本发明的目的是克服目前太阳能光电板中液态电解质和固态电解质的不足，制备一种兼具液态电解质的较高导电性和固态电解质的稳定性的准固态电解质，并将其应用到太阳能光电板中，以得到一种高效、稳定的染料敏化太阳能光电板。
为实现本发明上述的目的和其他优点，提供了一种染料敏化太阳能光电板的制备方法，包括如下步骤：
①将质量比分别为2～6:1～5:1～3的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和N-甲基吡咯烷酮混合，搅拌均匀后作为溶剂，加入碘化合物和碘单质，继续搅拌；
②加入质量分数为8％～15％凝胶剂，80℃搅拌2～5h至形成均一溶液，得凝胶聚合物电解质；
③将所述凝胶聚合物电解质涂布在染料溶液中敏化后的二氧化钛光阳极膜上，后将铂对电极覆盖在所述凝胶聚合物电解质表面上，得染料敏化太阳能光电板。
在凝胶聚合物电解质中，碘单质I2大量以I3 -离子的形式出现，在一定范围内，增加碘化合物的浓度，可以提高自由I3 -离子的数量，但若碘化合物的浓度过高，由于离子团聚等作用，反而会使电解质的凝胶性变差，电导率下降。所以所述碘单质的浓度为0.02mol/L～0.08mol/L，所述碘化合物和碘单质的摩尔比为20:1～40:1。
所述碘化合物为碘化钾、碘化钠、碘化锂、1-丁基-3-甲基咪唑碘、四丁基碘化铵中的一种或几种。
其中，所述凝胶剂由质量分数分别为60％～80％的聚氧化乙烯、10％～20％的聚偏氟乙烯和10％～15％的聚乙二醇组成。聚氧化乙烯分子链具有较好的柔性，成膜性好，可以形成一种螺旋形结构，促进电解质对多孔阳极的渗透性，但聚氧化乙烯存在着以易结晶的缺点，而聚偏氟乙烯中的氟元素具有最小的离子半径和最大的电负性，有利于离子的迁移，两种聚合物的共混可以降低混合物的结晶度。PEG的引入能进一步降低体系结晶度，增加自由体积，提高离子传导能力。而且，聚乙二醇的加入可以增加电解质基体膜的孔隙率，吸收更多的电解液，促进I3 -在基体中的扩散。
所述的聚乙二醇为聚乙二醇600、聚乙二醇800、聚乙二醇1000或聚乙 二醇1500中的一种或几种，所述的聚乙二醇优选为聚乙二醇1000。
所述染料为N719染料，所述染料的浓度为0.1～1mmol/L。
所述二氧化钛中还分散有聚苯乙烯颗粒，以提高电解质和二氧化钛膜的接触性能，并提高电解质在二氧化钛膜中的渗透能力。所述聚苯乙烯颗粒的质量分数为6％～15％，所述聚苯乙烯颗粒的粒径为100nm～150nm。
本发明与现有技术相比，至少包括以下有益效果：
(1)本发明中的凝胶电解质为聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯和聚乙二醇的三元聚合物，聚偏氟乙烯和聚乙二醇不仅可以降低聚氧化乙烯的结晶度，促进离子的迁移，而且可以增加电解质基体膜的孔隙率，吸收更多的电解液，促进I3 -在基体中的扩散，从而提高电解质的传导能力；
(2)本发明中的凝胶电解质溶剂碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯结构类似，羰基两侧所连醚氧键相互对称，而不对称结构N-甲基吡咯烷酮的加入，改变了溶剂的电负性，提高了电解质基体膜对电解液的吸收能力；
(3)本发明制备得到的太阳能光电板光电转换效率高、机械强度和光电稳定性好，使用寿命长，制备工艺简单，成本低，利于工业化生产。
本发明的其他优点、目标和特征部分将部分通过下面的说明体现，部分还将通过本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
实施例1：
一种染料敏化太阳能光电板的制备方法，包括如下步骤：
①将质量比分别为2:6:2的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和N-甲基吡咯烷酮混合，搅拌均匀后作为溶剂，加入0.45mol/L的碘化钠和0.02mol/L的碘单质，继续搅拌；
②加入质量分数为9％凝胶剂，80℃搅拌2h至形成均一溶液，得凝胶聚合物电解质；
③将所述凝胶聚合物电解质涂布在0.2mmol/L的N719染料溶液中敏化 后的二氧化钛光阳极膜上，后将铂对电极覆盖在所述凝胶聚合物电解质表面上，得染料敏化太阳能光电板。
其中，所述凝胶剂由质量分数分别为65％的聚氧化乙烯、20％的聚偏氟乙烯和15％的聚乙二醇800组成。
所述二氧化钛中还分散有质量分数为6％的聚苯乙烯颗粒，所述聚苯乙烯颗粒的平均粒径为120nm。
上述步骤②得到的凝胶聚合物电解质，在室温下电导率为3.88ms/cm。上述步骤③中得到的染料敏化太阳能光电板，在100mW/cm2模拟太阳光照射下开路电压为0.68V，短路电流密度为12.9mA/cm2，填充因子为60.2％，总的能量转化效率为5.74％。
实施例2：
一种染料敏化太阳能光电板的制备方法，包括如下步骤：
①将质量比分别为4:4:2的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和N-甲基吡咯烷酮混合，搅拌均匀后作为溶剂，加入1.6mol/L的碘化钠和0.08mol/L的碘单质，继续搅拌；
②加入质量分数为15％凝胶剂，80℃搅拌5h至形成均一溶液，得凝胶聚合物电解质；
③将所述凝胶聚合物电解质涂布在0.9mmol/L的N719染料溶液中敏化后的二氧化钛光阳极膜上，后将铂对电极覆盖在所述凝胶聚合物电解质表面上，得染料敏化太阳能光电板。
其中，所述凝胶剂由质量分数分别为70％的聚氧化乙烯、15％的聚偏氟乙烯和15％的聚乙二醇1500组成。
所述二氧化钛中还分散有质量分数为13％的聚苯乙烯颗粒，所述聚苯乙烯颗粒的平均粒径为150nm。
上述步骤②得到的凝胶聚合物电解质，在室温下电导率为4.17ms/cm。上述步骤③中得到的染料敏化太阳能光电板，在100mW/cm2模拟太阳光照射下开路电压为0.66V，短路电流密度为13.4mA/cm2，填充因子为58.2％，总的能量转化效率为5.79％。
实施例3：
一种染料敏化太阳能光电板的制备方法，包括如下步骤：
①将质量比分别为4:3:3的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和N-甲基吡咯烷酮混合，搅拌均匀后作为溶剂，加入1.5mol/L的碘化钠和0.05mol/L的碘单质，继续搅拌；
②加入质量分数为12％凝胶剂，80℃搅拌3h至形成均一溶液，得凝胶聚合物电解质；
③将所述凝胶聚合物电解质涂布在0.5mmol/L的N719染料溶液中敏化后的二氧化钛光阳极膜上，后将铂对电极覆盖在所述凝胶聚合物电解质表面上，得染料敏化太阳能光电板。
其中，所述凝胶剂由质量分数分别为70％的聚氧化乙烯、15％的聚偏氟乙烯和15％的聚乙二醇1000组成。
所述二氧化钛中还分散有质量分数为13％的聚苯乙烯颗粒，所述聚苯乙烯颗粒的平均粒径为150nm。
上述步骤②得到的凝胶聚合物电解质，在室温下电导率为5.09ms/cm。上述步骤③中得到的染料敏化太阳能光电板，在100mW/cm2模拟太阳光照射下开路电压为0.72V，短路电流密度为13.6mA/cm2，填充因子为60.2％，总的能量转化效率为6.10％。
实施例4：
一种染料敏化太阳能光电板的制备方法，包括如下步骤：
①将质量比分别为2:5:3的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和N-甲基吡咯烷酮混合，搅拌均匀后作为溶剂，加入1.2mol/L的碘化钠和0.03mol/L的碘单质，继续搅拌；
②加入质量分数为15％凝胶剂，80℃搅拌4h至形成均一溶液，得凝胶聚合物电解质；
③将所述凝胶聚合物电解质涂布在1mmol/L的N719染料溶液中敏化后的二氧化钛光阳极膜上，后将铂对电极覆盖在所述凝胶聚合物电解质表面上，得染料敏化太阳能光电板。
其中，所述凝胶剂由质量分数分别为75％的聚氧化乙烯、15％的聚偏氟乙烯和10％的聚乙二醇600组成。
所述二氧化钛中还分散有质量分数为7％的聚苯乙烯颗粒，所述聚苯乙烯颗粒的平均粒径为140nm。
上述步骤②得到的凝胶聚合物电解质，在室温下电导率为4.55ms/cm。上述步骤③中得到的染料敏化太阳能光电板，在100mW/cm2模拟太阳光照射下开路电压为0.72V，短路电流密度为13.6mA/cm2，填充因子为60.2％，总的能量转化效率为5.45％。
实施例5：
一种染料敏化太阳能光电板的制备方法，包括如下步骤：
①将质量比分别为5:4:1的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和N-甲基吡咯烷酮混合，搅拌均匀后作为溶剂，加入2.45mol/L的碘化钠和0.07mol/L的碘单质，继续搅拌；
②加入质量分数为11％凝胶剂，80℃搅拌2h至形成均一溶液，得凝胶聚合物电解质；
③将所述凝胶聚合物电解质涂布在0.6mmol/L的N719染料溶液中敏化后的二氧化钛光阳极膜上，后将铂对电极覆盖在所述凝胶聚合物电解质表面上，得染料敏化太阳能光电板。
其中，所述凝胶剂由质量分数分别为80％的聚氧化乙烯、10％的聚偏氟乙烯和10％的聚乙二醇800组成。
所述二氧化钛中还分散有质量分数为9％的聚苯乙烯颗粒，所述聚苯乙烯颗粒的平均粒径为130nm。
上述步骤②得到的凝胶聚合物电解质，在室温下电导率为5.06ms/cm。上述步骤③中得到的染料敏化太阳能光电板，在100mW/cm2模拟太阳光照射下开路电压为0.71V，短路电流密度为13.2mA/cm2，填充因子为62.3％，总的能量转化效率为5.48％。
实施例6：
为了测试本发明所制备染料敏化太阳能光电板的稳定性，将实施例3中的染料敏化太阳能光电板放置60天，并对其各项性能参数进行测定，如表1所示，太阳能光电板的能量转化效率在40天内略有衰减(不超过8％)，后趋于稳定，体现了太阳能光电板良好的稳定性。
表1 放置时间随染料敏化太阳能光电板性能的影响
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (9)

1.一种染料敏化太阳能光电板的制备方法，所述方法包括如下步骤：
①将质量比分别为2～6∶1～5∶1～3的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和N-甲基吡咯烷酮混合，搅拌均匀后作为溶剂，加入碘化合物和碘单质，继续搅拌；
②加入质量分数为8％～15％凝胶剂，80℃搅拌2～5h至形成均一溶液，得凝胶聚合物电解质；
③将所述凝胶聚合物电解质涂布在染料溶液中敏化后的二氧化钛光阳极膜上，后将铂对电极覆盖在所述凝胶聚合物电解质表面上，得到染料敏化太阳能光电板；
其中，所述凝胶剂由质量分数分别为60％～80％的聚氧化乙烯、10％～20％的聚偏氟乙烯和10％～15％的聚乙二醇组成；
其中，所述碘单质的浓度为0.02mol/L～0.08mol/L，所述碘化合物和碘单质的摩尔比为20∶1～40∶1。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能光电板的制备方法，其中所述的聚乙二醇为聚乙二醇600、聚乙二醇800、聚乙二醇1000或聚乙二醇1500中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能光电板的制备方法，其中所述的聚乙二醇为聚乙二醇1000。
4.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能光电板的制备方法，其中所述碘化合物为碘化钾、碘化钠、碘化锂、1-丁基-3-甲基咪唑碘、四丁基碘化铵中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能光电板的制备方法，其中所述染料为N719染料。
6.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能光电板的制备方法，其中所述染料的浓度为0.1～1mmol/L。
7.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能光电板的制备方法，其中所述二氧化钛中还分散有聚苯乙烯颗粒。
8.根据权利要求7所述的染料敏化太阳能光电板的制备方法，其中所述聚苯乙烯颗粒的质量分数为6％～15％。
9.根据权利要求7所述的染料敏化太阳能光电板的制备方法，其中所述聚苯乙烯颗粒的粒径为100nm～150nm。
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