CN105428074A - 紫外光固化电解质的制备方法及其在太阳能电池中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紫外光固化电解质的制备方法及其在太阳能电池中的应用，属于太阳能电池技术领域。该种电解质的制备方法为：将碘、碘化锂、尿素、4-叔丁基吡啶(tBP)加至紫外光固化电解质前驱体中，于暗处搅拌均匀。这种电解质只需在紫外灯照射下即可完成固化封装，省去了热压步骤，使得染料敏化太阳能电池的制备步骤更为简化，条件更加温和，节约了能源的同时，也避免了液态电解质的挥发和泄露，大大提高了光电器件的稳定性。

Description

紫外光固化电解质的制备方法及其在太阳能电池中的应用
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种紫外光固化电解质的制备方法。
背景技术
伴随着煤、石油和天然气等矿物资源日益枯竭，能源危机和环境污染已成为亟待解决的严重问题。如何有效地利用可再生能源技术已经成为全世界的一大课题。染料敏化太阳能电池(B.O’Regan，M.Nature，1991，353，737-740)，因其制作工艺简单、成本低、光电转换效率较高等优势，具有潜在的实用价值。
染料敏化太阳能电池(DSSCs)通常由半导体氧化物纳米多孔膜，染料敏化剂，氧化还原电解质和Pt电极等组成。然而传统的液态氧化还原电解质，由于易挥发、易泄露并腐蚀对电极，为此，开发全固态电解质成为将来染料敏化太阳能电池走向市场不可回避的课题。虽然研究者曾尝试过固态电池的制备，而对于目前效果最好的基于空穴传输材料Spiro的DSSCs全固化，不仅材料昂贵，而且制备工艺较液态电池复杂很多，需要昂贵的蒸镀设备。为此我们提出了完全类似液态电池制备工艺的紫外光固化工艺来制备全固态DSSCs。
紫外光固化原理：紫外线光(UV)固化是利用光引发剂(光敏剂)的感光性、在紫外线照射下引发形成激发生态分子，分解成自由基或离子，使不饱和有机物进行聚合、接技、交联等化学反应达到固化的目的。
而目前，并未有紫外光固化电解质在全固态染料敏化太阳能电池方面的应用的相关技术报道。
发明内容
本发明为了解决现有技术中染料敏化太阳能电池电解质溶液泄露和挥发，严重影响太阳能电池稳定性的技术问题。
本发明的目的之一在于提供一种用于制作染料敏化太阳能电池的紫外光固化电解质前驱体。
本发明的紫外光固化电解质前驱体制备需要如下试剂：2-苯氧甲基环氧乙烷、丙烯酸、2-(二甲基氨基)丙烯酸乙酯、氢醌单甲醚。
较优的，所述的一种紫外光固化电解质前驱体，包括以下原料，按质量份计：
在本发明的一个优选实施例中，所述的一种紫外光固化电解质前驱体，包括以下原料，按质量份计：
本发明还提供了一种紫外光固化电解质前驱体的制备方法，如下：2-苯氧甲基环氧乙烷、丙烯酸、12-(二甲基氨基)丙烯酸乙酯、氢醌单甲醚于100℃加热5h，再添加以上述所有原料的总量为基数的2％(质量百分比)安息香丁基醚。
在本发明的一个优选实施例中，160份2-苯氧甲基环氧乙烷、36份丙烯酸、5份12-(二甲基氨基)丙烯酸乙酯、1份氢醌单甲醚于在100℃加热5h，再添加以上述所有原料的总量为基数的2％安息香丁基醚制成，得紫外光固化电解质前驱体。
本发明的目的之二在于提供一种基于上述紫外光固化电解质前驱体所制备的染料敏化太阳能电池的电解质。
本发明提供了一种染料敏化太阳能电池电解质，包括以下原料，按质量份计：
本发明还提供了所述的染料敏化太阳能电池电解质的制备方法，该方法为：以下各原料按质量份计，将1～8份碘、10～20份碘化锂、0.5～2份尿素、5～15份4-叔丁基吡啶(tBP)加至50～60份紫外光固化电解质前驱体(前驱体固化前为液体)中，于暗处搅拌均匀，制得电解质。
本发明的目的之三在于提供上述染料敏化太阳能电池的电解质在制备染料敏化太阳能电池中的应用。
所述的应用具体为：在吸附了染料的TiO2膜上滴加适量上述得到的染料敏化太阳能电池的电解质，置于365nm紫外光下进行固化。
本发明的目的之四在于提供一种全固态染料敏化太阳能电池的制备方法，该方法包括以下步骤：
在吸附了染料的TiO2膜上滴加一定量上述得到的染料敏化太阳能电池的电解质，使其能均匀覆盖住TiO2膜，对电极的导电面朝内盖在TiO2膜上，置于365nm紫外光下固化10分钟，制得基于紫外光固化紫外胶电解质体系的染料敏化太阳能电池，即全新的全固态染料敏化太阳能电池。
在本发明的一个优选实施例中，一种染料敏化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
A、染料敏化剂溶液的配制；B、基底的清洗；C、对电极制作；D、光阳极的制备；E、电解质的配制；F、电池的封装；
其中E和F的具体步骤为：
E、电解质的配制：将0.04375g碘、0.32g碘化锂、0.02g尿素、1滴4-叔丁基吡啶(tBP)加至1mL紫外光固化电解质前驱体中，于暗处搅拌均匀，制得电解质。
F、电池的封装：在吸附了染料的TiO2膜上滴加适量电解质使其能覆盖住TiO2膜，对电极的导电面朝内盖在TiO2膜上，置于365nm紫外光下进行固化，10分钟后取出，制得紫外光固化电解质电池。
更优选的，步骤A-D的具体步骤为：
A、染料敏化剂溶液的配制：于10mL容量瓶，称取40mg化合物N719(cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2-bipyridyl-4,4-dicarboxylato)-ruthenium(II)bis-tetrabutylammonium,Solaronix公司提供)，加入溶剂乙醇至刻度；
B、基底的清洗：将导电基底依次用清洗剂、二次水、丙酮和乙醇超声清洗，在热气流中烘干待用。
C、对电极的制作：用旋涂法在清洗后的FTO导电玻璃上旋涂一层氯铂酸溶液，之后置于马弗炉中，在400℃下烧结30分钟，待冷却后取出。
D、光阳极的制备：通过丝网印刷在FTO导电玻璃上刷一层TiO2浆料，125℃烘10分钟，冷却后，再涂一层，125℃烘10min，一共涂三/四层，然后缓慢升温至450℃烘15min，再升温至500℃烘15min，冷却至室温后，用20mM的TiCl4水溶液于烘箱中70℃处理30min，分别用二次水洗、乙醇洗涤，然后在450℃下煅烧30min，冷却后将其泡入染料敏化剂溶液中。12h后取出，用浸泡染料所用溶剂洗涤，吹干。
本发明的积极效果在于：解决了染料敏化太阳能电池的电解质流失问题，并且免去了热压步骤，大幅改善了染料敏化太阳能电池的使用稳定性，节约了时间和资源，具有很好的市场发展前景。
附图说明
图1为实施例2紫外光固化电解质电池在化合物N719，AM1.5，1000W/㎡标准测试条件下测得的不同层数(每层平均厚度3μm)的TiO2膜的光电流-电压(I-V)对比曲线；
图2为实施例3紫外光固化电解质电池在化合物N719，AM1.5，1000W/㎡标准测试条件下测得的有无致密层的I-V对比曲线；
图3为实施例4紫外光固化电解质电池在化合物N719，AM1.5，1000W/㎡标准测试条件下测得的有无散射层的I-V对比曲线。
具体实施方式
以下所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
实施例1前驱体的制备
紫外光固化电解质前驱体A的制备方法为：以下各原料按质量份计，160份2-苯氧甲基环氧乙烷、36份丙烯酸、5份12-(二甲基氨基)丙烯酸乙酯、1份氢醌单甲醚于在100℃加热5h，再添加以上述所有原料的总量为基数的2％安息香丁基醚制成，得紫外光固化电解质前驱体。
实施例2
1)染料敏化剂溶液的配制：于10mL容量瓶，称取40mg化合物N719(cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2-bipyridyl-4,4-dicarboxylato)-ruthenium(II)bis-tetrabutylammonium,Solaronix公司提供)，加入溶剂乙醇至刻度；
2)基底的清洗：将导电基底依次用清洁剂、二次水、丙酮和乙醇超声清洗，在热气流下烘干，待用。
3)对电极制作：用旋涂法在清洗后的FTO导电玻璃上旋涂一层氯铂酸溶液，之后置于马弗炉中，在400℃下烧结30分钟，待冷却后取出。
4)光阳极的制备：通过丝网印刷在FTO导电玻璃上刷一层TiO2浆料，125℃烘10分钟，冷却后，再涂一层，125℃烘10min，一共涂三/四层，然后缓慢升温至450℃煅烧15min，再升温至500℃煅烧15min，冷却至室温后，用20mM的TiCl4水溶液于烘箱中70℃恒温30min，分别用二次水洗、乙醇洗涤，450℃烘30min，冷却后将其泡入染料敏化剂溶液中。12h后取出，用浸泡染料所用溶剂洗涤，吹干。
5)电解质的配制：将0.04375g碘、0.32g碘化锂、0.02g尿素、1滴4-叔丁基吡啶(tBP)加至1mL紫外光固化电解质前驱体(实施例1所得的)中，于暗处搅拌均匀，制得电解质。
6)电池的封装：在吸附了染料的TiO2膜上滴加适量电解质，对电极的导电面朝内盖在TiO2膜上，置于紫外光下进行固化，10分钟取出，制得紫外光固化电解质电池。
7)将紫外光固化电解质电池在I-V模拟器上进行测试。
实施例3
以类似实施例2的方法制备对电极和电池，不同之处在于：在印刷TiO2浆料前，在FTO导电玻璃上用喷雾热解法喷涂一层TiO2致密层。
实施例4
以类似实施例2的方法制备对电极和电池，不同之处在于：在印刷TiO2浆料后，再刷1层TiO2大颗粒散射层。
效果试验
分别将实施例2-4制备的紫外光固化电解质电池在标准模拟太阳光下进行测试。
比较测试装置和测试条件为：
以上电池均采用Am1.5太阳能模拟器于一个太阳标准光强下进行测试。
结果显示：：如图1所示，使用实施例2制得的3层膜的紫外光固化电解质电池，其开路电压为0.640V，短路电流为3.03mA/cm2，填充因子为56.83％，光电转化效率为1.10％；制得的4层膜的紫外光固化电解质电池，其开路电压为0.620V，短路电流为4.20mA/cm2，填充因子为54.84％，光电转化效率为1.43％。
如图2所示，使用实施例3制得的有致密层的紫外光固化电解质电池，其开路电压为0.605V，短路电流为7.025mA/cm2，填充因子为67.20％，光电转化效率为2.85％；制得的无致密层的紫外光固化电解质电池，其开路电压为0.570V，短路电流为3.28mA/cm2，填充因子为42.14％，光电转化效率为0.79％。
如图3所示，使用实施例4制得的有散射层的紫外光固化电解质电池，其开路电压为0.627V，短路电流为7.257mA/cm2，填充因子为66.82％，光电转化效率为3.04％；制得的无散射层的紫外光固化电解质电池，其开路电压为0.570V，短路电流为3.28mA/cm2，填充因子为42.14％，光电转化效率为0.79％。
如图1、图2、图3所示，制得的紫外光固化电解质电池更适用于有散射层和致密层的光阳极，且有无致密层和散射层对其光电转换效率影响较大。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式不受上述实施例的限制。其他任何不脱离本发明之精神和原理下所作的变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种紫外光固化电解质前驱体，其特征在于，其原料包括如下试剂：2-苯氧甲基环氧乙烷、丙烯酸、2-(二甲基氨基)丙烯酸乙酯、氢醌单甲醚。
2.根据权利要求1所述的一种紫外光固化电解质前驱体，其特征在于，包括以下原料，按质量份计：
2-苯氧甲基环氧乙烷130--200份；
丙烯酸30--40份；
12-(二甲基氨基)丙烯酸乙酯2--10份；
氢醌单甲醚1--2份。
3.根据权利要求1所述的一种紫外光固化电解质前驱体，其特征在于，包括以下原料，按质量份计：
2-苯氧甲基环氧乙烷160份；
丙烯酸36份；
12-(二甲基氨基)丙烯酸乙酯5份；
氢醌单甲醚1份。
4.根据权利要求1至3任一所述的一种紫外光固化电解质前驱体，其特征在于，所述的紫外光固化电解质前驱体的制备方法如下：2-苯氧甲基环氧乙烷、丙烯酸、12-(二甲基氨基)丙烯酸乙酯、氢醌单甲醚于100℃加热5h，再添加以上述所有原料的总量为基数的2％安息香丁基醚。
5.一种染料敏化太阳能电池电解质，其特征在于，包括以下原料，按质量份计：
如权利要求1至3任一所述的紫外光固化电解质前驱体50～60份；
碘1～8份；
碘化锂10～20份；
尿素0.5～2份；
4-叔丁基吡啶5～15份。
6.如权利要求1至3任一所述的一种紫外光固化电解质前驱体在制备染料敏化太阳能电池中的应用。
7.如权利要求5所述的一种染料敏化太阳能电池电解质在制备染料敏化太阳能电池中的应用。
8.一种染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述的染料敏化太阳能电池的制备方法如下：
A.染料敏化剂溶液的配制；
B.基底的清洗；
C.对电极制作；
D.光阳极的制备；
E.电解质的配制；将如权利要求5所述的一种染料敏化太阳能电池电解质的原料于暗处搅拌均匀，制得电解质；
F.电池的封装；在吸附了染料的TiO2膜上滴加步骤E得到的电解质使其能覆盖住TiO2膜，对电极的导电面朝内盖在TiO2膜上，置于紫外光下进行固化，10分钟取出，制得紫外光固化电解质电池。
9.根据权利要求8所述的一种染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述的步骤A-D为：
A.染料敏化剂溶液的配制：于10mL容量瓶，称取40mg化合物N719，加入溶剂乙醇至刻度；
B.基底的清洗：将导电基底依次用清洗剂、二次水、丙酮和乙醇超声清洗，在热气流下烘干；
C.对电极制作：用旋涂法在清洗后的FTO导电玻璃上涂覆一层0.02mol/L的氯铂酸的异丙醇溶液，之后置于马弗炉中，在400℃下烧结30分钟，待冷却后取出；
D.光阳极的制备：通过丝网印刷在FTO导电玻璃上刷一层TiO2浆料，125℃烘10分钟，冷却后，在第一层的基础上再涂一层，在125℃再烘10分钟，涂三～四层；然后缓慢升温至450℃煅烧15分钟，再升温至500℃煅烧15分钟，冷却至室温后，用20mmol/L的TiCl4水溶液于烘箱中70℃下恒温处理30分钟后，分别用二次水和乙醇冲洗、吹干，再经450℃煅烧30分钟，冷却后将其泡入染料敏化剂溶液中；12h后取出，用浸泡染料所用溶剂洗涤，吹干。
10.根据权利要求8或9所述的一种染料敏化太阳能电池，其特征在于，所述的步骤E为：
将0.04375g碘、0.32g碘化锂、0.02g尿素、1滴4-叔丁基吡啶加至1mL如权利要求1或3任一所述的紫外光固化电解质前驱体中，于暗处搅拌均匀，制得电解质。
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