CN108461813A - 用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质，包括双离子液体电解质、凝胶剂、TiO2纳米粒子；双离子液体电解质包括摩尔比为1：(0.5～1.5)的锍阳离子液体和二乙基甲基锍碘离子液体。与现有技术相比，本发明提供的用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质及其制备方法，锍阳离子液体和二乙基甲基锍碘离子液体混合组成的双离子液体电解质，能显著提高电池的短路电流和开路电压；凝胶剂在极低的含量即可形成凝胶，降低总体系的粘度，从而加快锂离子的传输速率，TiO2纳米粒子通过咪唑阳离子表面修饰，在电解质中形成离子传输网络，增加了自由离子有序的移动，制备工艺简单，以温和的方式胶化，稳定性高，光电转换效率可达8％以上，具有很好的应用前景。

Description

用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及一种用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质及其制备方法。
背景技术
随着资源短缺和环境污染问题的日益突出，太阳能作为一种清洁可再生能源越来越受到世人的关注。当前，通过太阳能电池进行光电转换是人类利用太阳能的主要途径之一。在太阳能电池中，硅太阳能电池因其转换率高和技术成熟占据了太阳能电池90％的份额，然而硅系太阳能电池因其工艺复杂，价格昂贵，材料要求苛刻而难以普及。如何提高太阳能电池的光电转换效率并有效的降低其制造成本，成为诸多太阳能电池工作者不断追求的目标。
染料敏化太阳能电池(DSSC)是一种新型的有机-无机复合型太阳电池，这种太阳能电池在工作过程中电子要经过7个传递过程：(1)染料激发；(2)电子注入TiO2；(3)电子在TiO2中传输；(4)电子在对电极还原I3-；(5)染料还原再生；(6)电子与氧化态染料复合；(7)电子与电解质中I3-复合。目前DSSC使用的电解质主要有液体电解质、固体电解质、凝胶电解质三种。液体电解质具有电导率高和接触性能好的优点，但具有漏液等问题；而固体电解质具有电池性能稳定的优势，但是这种全固态电解质本身电导率比较低，另外与多孔TiO2电极的接触不充分，因此制备出的染料敏化太阳能电池光电转换效率比较低；准固态电解质介于液态和全固态电解质之间，有很高的电导率，既能很好地和多孔TiO2电极进行接触，制备出的电池又具有很好的稳定性。目前，准固态电解质的研究一直是染料敏化太阳能电池领域研究的热点之一。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质及其制备方法，以解决使既可以使电池具有很好的光电转换效率，又能保证电池的稳定性的问题。
本发明采用的技术方案如下：一种用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质，关键在于：包括双离子液体电解质、凝胶剂、TiO2纳米粒子；
所述双离子液体电解质包括摩尔比为1：(0.5～1.5)的锍阳离子液体和二乙基甲基锍碘离子液体。
优选的，所述锍阳离子液体中的阳离子为[(CH3)2SC4H9]+，阴离子为[N(SO2CF3)2]-、[C(SO2CF3)3]-，[PF6]-、[(C2F5)3PF3]-中的一种或两种以上。
优选的，所述凝胶剂采用以下方法获得：依次将摩尔比为1：1.16的乙烯基苄氯和二乙烯基苯，三氟化硼和正庚万投入反应器中，在25℃下，边搅拌边进行阳离子聚合反应，反应时间15min，之后加入乙醇中止反应，将反应物过滤，所得沉淀用乙醇冲洗，然后在60℃下真空干燥24h，得到所述凝胶剂。
优选的，所述TiO2纳米粒子采用以下方法获得：将质量比为1:1的甲基咪唑和TiO2投入DMF中，超声5min，然后在25℃下，剧烈搅拌24h，所得产物离心分离，将分离的粗产物用乙醇清洗，最后在60℃下真空干燥24h，得到所述TiO2纳米粒子。
优选的，双离子液体电解质还包括碘化锂、碘、4-叔丁基吡啶和溶剂。
优选的，所述溶剂为3-甲氧基丙酯、碳酸丙二酯或碳酸乙烯酯中的一种。
一种用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质的制备方法，关键在于包括以下步骤：
步骤一、分别制备凝胶剂和TiO2纳米粒子；
步骤二、将碘化锂、碘、4-叔丁基吡啶和溶剂分别加入双离子液体，在60℃下搅拌8h，得到所述双离子液体电解质；
步骤三、把步骤一中得到的凝胶剂加入步骤二中得到的所述双离子液体电解质中形成聚离子液体凝胶电解质，在60℃下搅拌8h，然后将步骤一中得到的TiO2纳米粒子加入聚离子液体凝胶电解质中继续搅拌8h，冷却至室温得到成品。
优选的，步骤二中所述碘化锂、碘、4-叔丁基吡啶和双离子液体的摩尔比为(0.05-0.15)：(0.1-0.8)：(0.1-0.6)：(0.5-1.0)。
优选的，步骤三中所述凝胶剂的用量为所述离子液体电解质总质量的0.5％-8％。
优选的，步骤三中所述TiO2纳米粒子的用量为所述离子液体电解质总质量的1％-8％。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质及其制备方法，锍阳离子液体和二乙基甲基锍碘离子液体混合组成的双离子液体电解质，具有较高的电导率和电化学稳定性，能显著提高电池的短路电流和开路电压；引入的的凝胶剂与离子液体之间具有好的兼容性，在极低的含量即可形成凝胶，降低总体系的粘度和具有便于离子传输的网状离子立体通道，从而加快锂离子的传输速率，提高电池的光电转换效率；引入咪唑阳离子表面修饰过的TiO2纳米粒子后，电解质中形成离子传输网络，通过高斯机理增加了自由离子有序的移动，降低了TiO2纳米粒子的表面能，防止其在电解质中聚集；工艺简单，不会在胶化电解质的同时破坏光敏染料，从而降低组件效能，具有较高的稳定性，不会出现内部发生相分离或析出的情况，光电转换效率可达6.9％以上，因此，用本发明提供的凝胶电解质既可以使电池具有很好的光电转换效率，又能保证电池的稳定性，具有很好的应用前景。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。
实施例1凝胶电解质I的制备
步骤一、制备凝胶剂：依次将摩尔比为1：1.16的乙烯基苄氯和二乙烯基苯，三氟化硼和正庚万投入反应器中，在25℃下，边搅拌边进行阳离子聚合反应，反应时间15min，之后加入乙醇中止反应，将反应物过滤，所得沉淀用乙醇冲洗，然后在60℃下真空干燥24h，得到所述凝胶剂。
制备TiO2纳米粒子：将质量比为1:1的甲基咪唑和TiO2投入DMF中，超声5min，然后在25℃下，剧烈搅拌24h，所得产物离心分离，将分离的粗产物用乙醇清洗，最后在60℃下真空干燥24h，得到所述TiO2纳米粒子。
步骤二、将摩尔比为0.05：0.1：0.1：0.5的碘化锂、碘、4-叔丁基吡啶和溶剂分别加入双离子液体中，在60℃下搅拌8h，得到所述双离子液体电解质，所述双离子液体为摩尔比为1：0.5的[(CH3)2SC4H9]N(SO2CF3)2和二乙基甲基锍碘离子液体；
步骤三、把步骤一中得到的凝胶剂加入步骤二中得到的所述双离子液体电解质中形成聚离子液体凝胶电解质，所述凝胶剂的用量为所述离子液体电解质总质量的0.5％，在60℃下搅拌8h，然后将步骤一中得到的TiO2纳米粒子加入聚离子液体凝胶电解质中，所述TiO2纳米粒子的用量为所述离子液体电解质总质量的1％，继续搅拌8h，冷却至室温得到凝胶电解质I。
实施例2凝胶电解质II的制备
步骤一、制备凝胶剂：依次将摩尔比为1：1.16的乙烯基苄氯和二乙烯基苯，三氟化硼和正庚万投入反应器中，在25℃下，边搅拌边进行阳离子聚合反应，反应时间15min，之后加入乙醇中止反应，将反应物过滤，所得沉淀用乙醇冲洗，然后在60℃下真空干燥24h，得到所述凝胶剂。
制备TiO2纳米粒子：将质量比为1:1的甲基咪唑和TiO2投入DMF中，超声5min，然后在25℃下，剧烈搅拌24h，所得产物离心分离，将分离的粗产物用乙醇清洗，最后在60℃下真空干燥24h，得到所述TiO2纳米粒子。
步骤二、将摩尔比为0.15：0.8：0.6：1.0的碘化锂、碘、4-叔丁基吡啶和溶剂分别加入双离子液体中，在60℃下搅拌8h，得到所述双离子液体电解质，所述双离子液体为摩尔比为1：1.5的[(CH3)2SC4H9]C(SO2CF3)3和二乙基甲基锍碘离子液体；
步骤三、把步骤一中得到的凝胶剂加入步骤二中得到的所述双离子液体电解质中形成聚离子液体凝胶电解质，所述凝胶剂的用量为所述离子液体电解质总质量的12％，在60℃下搅拌8h，然后将步骤一中得到的TiO2纳米粒子加入聚离子液体凝胶电解质中，所述TiO2纳米粒子的用量为所述离子液体电解质总质量的8％，继续搅拌8h，冷却至室温得到凝胶电解质II。
实施例3凝胶电解质III的制备
步骤一、制备凝胶剂：依次将摩尔比为1：1.16的乙烯基苄氯和二乙烯基苯，三氟化硼和正庚万投入反应器中，在25℃下，边搅拌边进行阳离子聚合反应，反应时间15min，之后加入乙醇中止反应，将反应物过滤，所得沉淀用乙醇冲洗，然后在60℃下真空干燥24h，得到所述凝胶剂。
制备TiO2纳米粒子：将质量比为1:1的甲基咪唑和TiO2投入DMF中，超声5min，然后在25℃下，剧烈搅拌24h，所得产物离心分离，将分离的粗产物用乙醇清洗，最后在60℃下真空干燥24h，得到所述TiO2纳米粒子。
步骤二、将摩尔比为0.1：0.1：0.5：0.8的碘化锂、碘、4-叔丁基吡啶和溶剂分别加入双离子液体中，在60℃下搅拌8h，得到所述双离子液体电解质，所述双离子液体为摩尔比为1：1.2的[(CH3)2SC4H9]P(C2F5)3F3和二乙基甲基锍碘离子液体；
步骤三、把步骤一中得到的凝胶剂加入步骤二中得到的所述双离子液体电解质中形成聚离子液体凝胶电解质，所述凝胶剂的用量为所述离子液体电解质总质量的6％，在60℃下搅拌8h，然后将步骤一中得到的TiO2纳米粒子加入聚离子液体凝胶电解质中，所述TiO2纳米粒子的用量为所述离子液体电解质总质量的2.5％，继续搅拌8h，冷却至室温得到凝胶电解质III。
实施例4染料敏化太阳能电池I
将实施例1制备的凝胶电解质I加热到80℃，然后迅速将电解质用玻璃棒涂敷在染料敏化电池的光阳极上，迅速盖上对电极，组装成电池，然后放入烘箱中，加热到80℃，加热时间为20分钟，得到染料敏化太阳能电池I。
实施例5染料敏化太阳能电池II
将实施例2制备的凝胶电解质II加热到80℃，然后迅速将电解质用玻璃棒涂敷在染料敏化电池的光阳极上，迅速盖上对电极，组装成电池，然后放入烘箱中，加热到80℃，加热时间为20分钟，得到染料敏化太阳能电池II。
实施例6染料敏化太阳能电池I
将实施例3制备的凝胶电解质III加热到80℃，然后迅速将电解质用玻璃棒涂敷在染料敏化电池的光阳极上，迅速盖上对电极，组装成电池，然后放入烘箱中，加热到80℃，加热时间为20分钟，得到染料敏化太阳能电池III。
实施例7对比实施例
设备和操作同实施例4，不同的是将凝胶电解质I换为液体电解质，所得到的染料敏化太阳能电池IV，该液体电解质采用以下方法制备：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碘化锂加入到混合溶剂中，持续搅拌12小时，得到液态电解质。
对各实施例制备得到凝胶电解质和染料敏化太阳能电池进行如下测试：
(1)凝胶电解质的光电性能和流变性能
采用交流阻抗测试电解质的电导率，所用仪器为CHI660电化学工作站，扫描范围为1Hz到1MHz，电导率采用公式σ＝l/RS(l为两个电极的间距，R为电解质的阻抗，S为电极的有效面积)计算得到；用MCR300型流变仪测试凝胶电解质的流变性能，测试结果如表1中所示。
表1各凝胶电解质的电导率和粘度测试结果
凝胶电解质I 凝胶电解质II 凝胶电解质III
σ(mS/cm) 7.45 7.83 8.51
μ(Pa.s) 6.8 6.1 5.7
(2)染料敏化太阳能电池的光电性能和稳定性能
采用美国Keith1ey2400数字源表采集光电流、光电压，获得短路电流(Jsc)、开路电压(Voc)、填充因子(FF)以及光电转换效率，(在有效光照面积为：0.16cm2，在AM1.5-100mW/cm2的光强下进行测试)；在60℃下进行加速老化测试七天后，测试电池效率，测试结果如表2中所示。
表2各染料敏化太阳能电池DSSC的光电性能和稳定性测试结果
DSSCI DSSCII DSSCIII DSSCIV
Voc(mV) 732 757 778 782
Jsc(mA/cm2) 17.6 18.2 17.9 18.5
FF 0.58 0.61 0.64 0.60
η(％) 7.52 7.86 8.13 8.37
稳定性(电池效率) 92％ 91％ 95％ 65％
从光电性能和稳定性测试，可以看出本发明的凝胶电解质具有较低粘度和较高的电导率，可以在电解质内部形成离子传输通路从而使I3-和I-可以自由移动，并且抑制二氧化钛和电解质界面之间的暗电流，有效降低电子再生，提高电池的效率，作为电解质应用于DSSC中，可获得8％以上的光电转换效率，接近采用液态电解质所组装的DSSC的光电转化效率，并且由于凝胶电解质的凝胶结构有效的阻挡了液体电解质的泄漏，电池效率仍然高达90％以上，明显表现出高于液体电解质的稳定性。本发明所制备的凝胶电解质既可以使电池具有很好的光电转换效率，又能保证电池的稳定性，具有很好的应用前景。
最后需要说明，上述描述仅为本发明的优选实施例，本领域的技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质，其特征在于：包括双离子液体电解质、凝胶剂、TiO2纳米粒子；
所述双离子液体电解质包括摩尔比为1：(0.5～1.5)的锍阳离子液体和二乙基甲基锍碘离子液体。
2.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质，其特征在于：所述锍阳离子液体中的阳离子为[(CH3)2SC4H9]+，阴离子为[N(SO2CF3)2]-、[C(SO2CF3)3]-，[PF6]-、[(C2F5)3PF3]-中的一种或两种以上。
3.根据权利要求1或2所述的用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质，其特征在于所述凝胶剂采用以下方法获得：依次将摩尔比为1：1.16的乙烯基苄氯和二乙烯基苯，三氟化硼和正庚万投入反应器中，在25℃下，边搅拌边进行阳离子聚合反应，反应时间15min，之后加入乙醇中止反应，将反应物过滤，所得沉淀用乙醇冲洗，然后在60℃下真空干燥24h，得到所述凝胶剂。
4.根据权利要求1、2或4所述的用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质，其特征在于所述TiO2纳米粒子采用以下方法获得：将质量比为1:1的甲基咪唑和TiO2投入DMF中，超声5min，然后在25℃下，剧烈搅拌24h，所得产物离心分离，将分离的粗产物用乙醇清洗，最后在60℃下真空干燥24h，得到所述TiO2纳米粒子。
5.根据权利要求5所述的用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质，其特征在于：双离子液体电解质还包括碘化锂、碘、4-叔丁基吡啶和溶剂。
6.根据权利要求6所述的用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质，其特征在于：所述溶剂为3-甲氧基丙酯、碳酸丙二酯或碳酸乙烯酯中的一种。
7.一种根据权利要求5或6所述的用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、分别制备凝胶剂和TiO2纳米粒子；
步骤二、将碘化锂、碘、4-叔丁基吡啶和溶剂分别加入双离子液体，在60℃下搅拌8h，得到所述双离子液体电解质；
步骤三、把步骤一中得到的凝胶剂加入步骤二中得到的所述双离子液体电解质中形成聚离子液体凝胶电解质，在60℃下搅拌8h，然后将步骤一中得到的TiO2纳米粒子加入聚离子液体凝胶电解质中继续搅拌8h，冷却至室温得到成品。
8.根据权利要求8所述的用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质的制备方法，其特征在于：步骤二中所述碘化锂、碘、4-叔丁基吡啶和双离子液体的摩尔比为(0.05-0.15)：(0.1-0.8)：(0.1-0.6)：(0.5-1.0)。
9.根据权利要求8或9所述的用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质的制备方法，其特征在于：步骤三中所述凝胶剂的用量为所述离子液体电解质总质量的0.5％-12％。
10.根据权利要求8或9所述的用于染料敏化太阳能电池的凝胶电解质的制备方法，其特征在于：步骤三中所述TiO2纳米粒子的用量为所述离子液体电解质总质量的1％-8％。
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