CN109545562B - 一种染料敏化太阳能电池用固态电解质 - Google Patents

一种染料敏化太阳能电池用固态电解质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，其特征在于，包括如下重量份的各组分：四乙腈基季铵盐型离子晶体35‑55份；3,6‑二乙炔基咔唑类有机离子10‑15份；碘单质5‑10份；添加剂5‑8份；表面离子化改性石墨烯量子点2‑5份；所述的添加剂为甲基苯并咪唑、丁基苯并咪唑、叔丁基吡啶中的一种或几种。本发明公开的染料敏化太阳能电池用固态电解质具有制备成本低廉，导电率更高，稳定性更好，更易封装，能有效提高染料敏化太阳能电池稳定性和光电转换效率，使用更加安全环保的优点。

Description

一种染料敏化太阳能电池用固态电解质
技术领域
本发明属于新能源新材料技术领域，涉及一种染料敏化太阳能电池部件，具体地说，涉及一种染料敏化太阳能电池用固态电解质。
背景技术
染料敏化太阳能电池是模拟光合作用的再生式的光化学太阳能电池，具有高效率、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，成为第三代太阳能电池的代表，是最有前景的一类太阳能电池，是未来太阳能电池行业发展的主流方向。
染料敏化太阳能电池由染料敏化光阳极、电解质和对电极三个部分组成，其中，电解质是染料敏化太阳能电池的核心组成部分，主要起传输氧化还原对，将光激发染料还原的作用，电解质的性能直接影响太阳能电池的光电转化效率、工作稳定性及循环使用寿命。染料敏化太阳能电池用电解质存在液态、凝胶、固态等多种形式，其中液态电解质多以有机溶剂作为电解质，存在易挥发、封装难、稳定性差、高毒性等缺点。凝胶电解质中由于一般含有少量的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、离子液体等溶剂，仍然存在易泄漏、难封装，从而导致电池性能下降的问题。固体电解质具有热稳定好、呈固体不泄漏等的优点，但是现有技术中的固态电解质电导率相对较低，导致用固态电解质制备的染料敏化太阳能电池光电转化效率较低，阻碍了染料敏化太阳能电池的发展。
公开号为CN 102592832A的中国发明专利公开了一种用于太阳能电池的固态电解质，它包括非聚合型离子液体、离子晶体、碘单质。虽然利用该固态电解质制备的染料敏化太阳能电池的最高光电转化效率为5.7％，但是由于非聚合型离子液体含量高达50wt％-89wt％，而且选用的具有很强吸水性的碘化咪唑盐，在长期使用过程中难免会吸附空气中的水分、出现渗漏，影响染料敏化太阳能电池的性能。
因此，开发一种能有效提高染料敏化太阳能电池稳定性和光电转换效率，具有导电率更高，稳定性更好，更易封装的染料敏化太阳能电池用电解质符合市场需求，具有广泛的市场价值和应用前景，对促进染料敏化太阳能电池的产业化发展具有非常重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，该染料敏化太阳能电池用固态电解质具有制备成本低廉，导电率更高，稳定性更好，更易封装，能有效提高染料敏化太阳能电池稳定性和光电转换效率，使用更加安全环保的优点。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是，
一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，包括如下重量份的各组分：四乙腈基季铵盐型离子晶体35-55份；3,6-二乙炔基咔唑类有机离子10-15份；碘单质5-10份；添加剂5-8份；表面离子化改性石墨烯量子点2-5份。
进一步地，所述四乙腈基季铵盐型离子晶体的制备方法，包括如下步骤：将亚氨基二乙腈加入有机溶剂中，并向其中加入碘乙腈，在40-60℃下搅拌反应4-6小时，后旋蒸除去溶剂，再用乙酸乙酯洗涤产物3-5次，最后置于真空干燥箱中60-80℃下烘至恒重。
优选地，所述亚氨基二乙腈、有机溶剂、碘乙腈的质量比为1:(10-15):3.51。
优选地，所述有机溶剂选自乙醚、乙酸乙酯、丙酮中的一种或几种。
进一步地，所述3,6-二乙炔基咔唑类有机离子的制备方法，包括如下步骤：将3,6-二乙炔基咔唑加入乙醚中，并向其中加入碘乙烷，在室温下搅拌反应4-6小时，后旋蒸除去溶剂，再用乙醚洗涤产物3-5次，最后旋蒸除去溶剂。
优选地，所述3,6-二乙炔基咔唑、乙醚、碘乙烷的质量比为1:(10-15):1.45。
进一步地，所述表面离子化改性石墨烯量子点的制备方法，包括如下步骤：将氨基石墨烯量子点分散于乙醇中，再向其中加入碘乙腈，在40-60℃下搅拌反应4-6小时，后旋蒸除去溶剂。
优选地，所述氨基石墨烯量子点、乙醇、碘乙腈的质量比为(2-3):15:1。
进一步地，所述的添加剂为甲基苯并咪唑、丁基苯并咪唑、叔丁基吡啶中的一种或几种。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1)本发明提供的染料敏化太阳能电池用固态电解质，克服了传统液态及凝胶电解质或多或少存在的易挥发、封装难、稳定性差、高毒性的技术问题，也克服了现有技术中的固态电解质电导率相对较低，导致用固态电解质制备的染料敏化太阳能电池光电转化效率较低的缺陷，具有制备成本低廉，导电率更高，稳定性更好，更易封装，能有效提高染料敏化太阳能电池稳定性和光电转换效率，使用更加安全环保的优点。
2)本发明提供的染料敏化太阳能电池用固态电解质，由于同时添加四乙腈基季铵盐型离子晶体、3,6-二乙炔基咔唑类有机离子和表面离子化改性石墨烯量子点，使得其导电率高，使用安全环保，四乙腈基季铵盐型离子晶体、3,6-二乙炔基咔唑类有机离子均具有塑性，二者协同作用，能有效提高应用该固态电解质的染料敏化太阳能电池光电转化效率，也易于封装。
3)本发明提供的染料敏化太阳能电池用固态电解质，对石墨烯量子点表面进行改性，提高了其与其他组分之间的相容性和分散性，也引入离子结构，提高了导电率，进而提高应用该固态电解质的染料敏化太阳能电池的电池性能和循环使用寿命。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的以及优点更加清晰易懂，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明下述实施例中所使用原料购自摩贝(上海)生物科技有限公司。
实施例1
一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，包括如下重量份的各组分：四乙腈基季铵盐型离子晶体35份；3,6-二乙炔基咔唑类有机离子10份；碘单质5份；甲基苯并咪唑5份；表面离子化改性石墨烯量子点2份。
所述四乙腈基季铵盐型离子晶体的制备方法，包括如下步骤：将亚氨基二乙腈10g加入乙醚100g中，并向其中加入碘乙腈35.1g，在40℃下搅拌反应4小时，后旋蒸除去溶剂，再用乙酸乙酯洗涤产物3次，最后置于真空干燥箱中60℃下烘至恒重。
所述3,6-二乙炔基咔唑类有机离子的制备方法，包括如下步骤：将3,6-二乙炔基咔唑10g加入乙醚100g中，并向其中加入碘乙烷14.5g，在室温下搅拌反应4小时，后旋蒸除去溶剂，再用乙醚洗涤产物3次，最后旋蒸除去溶剂。
所述表面离子化改性石墨烯量子点的制备方法，包括如下步骤：将氨基石墨烯量子点20g分散于乙醇150g中，再向其中加入碘乙腈10g，在40℃下搅拌反应4小时，后旋蒸除去溶剂。
实施例2
一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，包括如下重量份的各组分：四乙腈基季铵盐型离子晶体40份；3,6-二乙炔基咔唑类有机离子11份；碘单质6份；丁基苯并咪唑6份；表面离子化改性石墨烯量子点3份。
所述四乙腈基季铵盐型离子晶体的制备方法，包括如下步骤：将亚氨基二乙腈10g加入乙酸乙酯115g中，并向其中加入碘乙腈35.1g，在45℃下搅拌反应4.5小时，后旋蒸除去溶剂，再用乙酸乙酯洗涤产物4次，最后置于真空干燥箱中65℃下烘至恒重。
所述3,6-二乙炔基咔唑类有机离子的制备方法，包括如下步骤：将3,6-二乙炔基咔唑10g加入乙醚115g中，并向其中加入碘乙烷14.5g，在室温下搅拌反应4.5小时，后旋蒸除去溶剂，再用乙醚洗涤产物4次，最后旋蒸除去溶剂。
所述表面离子化改性石墨烯量子点的制备方法，包括如下步骤：将氨基石墨烯量子点23g分散于乙醇150g中，再向其中加入碘乙腈10g，在45℃下搅拌反应4.5小时，后旋蒸除去溶剂。
实施例3
一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，包括如下重量份的各组分：四乙腈基季铵盐型离子晶体45份；3,6-二乙炔基咔唑类有机离子13份；碘单质8份；叔丁基吡啶7份；表面离子化改性石墨烯量子点4份。
所述四乙腈基季铵盐型离子晶体的制备方法，包括如下步骤：将亚氨基二乙腈10g加入丙酮135g中，并向其中加入碘乙腈35.1g，在50℃下搅拌反应5小时，后旋蒸除去溶剂，再用乙酸乙酯洗涤产物4次，最后置于真空干燥箱中70℃下烘至恒重。
所述3,6-二乙炔基咔唑类有机离子的制备方法，包括如下步骤：将3,6-二乙炔基咔唑10g加入乙醚140g中，并向其中加入碘乙烷14.5g，在室温下搅拌反应5小时，后旋蒸除去溶剂，再用乙醚洗涤产物5次，最后旋蒸除去溶剂。
所述表面离子化改性石墨烯量子点的制备方法，包括如下步骤：将氨基石墨烯量子点25g分散于乙醇150g中，再向其中加入碘乙腈10g，在50℃下搅拌反应5小时，后旋蒸除去溶剂。
实施例4
一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，包括如下重量份的各组分：四乙腈基季铵盐型离子晶体50份；3,6-二乙炔基咔唑类有机离子14份；碘单质9份；添加剂7份；表面离子化改性石墨烯量子点4份；所述的添加剂是甲基苯并咪唑、丁基苯并咪唑、叔丁基吡啶按质量比3:2:4混合而成的混合物。
所述四乙腈基季铵盐型离子晶体的制备方法，包括如下步骤：将亚氨基二乙腈10g加入有机溶剂145g中，并向其中加入碘乙腈35.1g，在55℃下搅拌反应5.5小时，后旋蒸除去溶剂，再用乙酸乙酯洗涤产物5次，最后置于真空干燥箱中75℃下烘至恒重；所述有机溶剂是乙醚、乙酸乙酯、丙酮按质量比1:2:1混合而成的混合物。
所述3,6-二乙炔基咔唑类有机离子的制备方法，包括如下步骤：将3,6-二乙炔基咔唑10g加入乙醚145g中，并向其中加入碘乙烷14.5g，在室温下搅拌反应5.5小时，后旋蒸除去溶剂，再用乙醚洗涤产物5次，最后旋蒸除去溶剂。
所述表面离子化改性石墨烯量子点的制备方法，包括如下步骤：将氨基石墨烯量子点28g分散于乙醇150g中，再向其中加入碘乙腈10g，在55℃下搅拌反应5.5小时，后旋蒸除去溶剂。
实施例5
一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，包括如下重量份的各组分：四乙腈基季铵盐型离子晶体55份；3,6-二乙炔基咔唑类有机离子15份；碘单质10份；甲基苯并咪唑8份；表面离子化改性石墨烯量子点5份。
所述四乙腈基季铵盐型离子晶体的制备方法，包括如下步骤：将亚氨基二乙腈10g加入乙酸乙酯150g中，并向其中加入碘乙腈35.1g，在60℃下搅拌反应6小时，后旋蒸除去溶剂，再用乙酸乙酯洗涤产物5次，最后置于真空干燥箱中80℃下烘至恒重。
所述3,6-二乙炔基咔唑类有机离子的制备方法，包括如下步骤：将3,6-二乙炔基咔唑10g加入乙醚150g中，并向其中加入碘乙烷14.5g，在室温下搅拌反应6小时，后旋蒸除去溶剂，再用乙醚洗涤产物5次，最后旋蒸除去溶剂。
所述表面离子化改性石墨烯量子点的制备方法，包括如下步骤：将氨基石墨烯量子点30g分散于乙醇150g中，再向其中加入碘乙腈10g，在60℃下搅拌反应6小时，后旋蒸除去溶剂。
对比例1
本例提供一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，其组分与实施例1中的基本相同，不同的是：其中不含有四乙腈基季铵盐型离子晶体。
对比例2
本例提供一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，其组分与实施例1中的基本相同，不同的是：其中不含有3,6-二乙炔基咔唑类有机离子。
对比例3
本例提供一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，其组分与实施例1中的基本相同，不同的是：其中不含有表面离子化改性石墨烯量子点。
对比例4
本例提供一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，按照中国发明专利CN103915261B实施例1方法制备得到。
将实施例1-5和对比例1-4所述染料敏化太阳能电池用固态电解质在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进行电导率测试；同时进行染料敏化太阳能电池组装，包括以下步骤：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，封住小孔即可。并进行性能测试，测试结果见表1所示。
表1
Figure GDA0002449037640000071
从上表可以看出，本发明实施例公开的染料敏化太阳能电池用固态电解质组装成染料敏化太阳能电池后，太阳能电池光电转换效率在4.97-6.10％之间，远远高于对比例4光电转化效率3.32％，可见，本发明实施例公开的染料敏化太阳能电池用固态电解质有利于提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率等光学性能，有利于提高其电导率，且四乙腈基季铵盐型离子晶体、3,6-二乙炔基咔唑类有机离子、表面离子化改性石墨烯量子点的加入对提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率、开路电压和短路电流均有促进作用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，其特征在于，包括如下重量份的各组分：四乙腈基季铵盐型离子晶体35-55份；3,6-二乙炔基咔唑类有机离子10-15份；碘单质5-10份；添加剂5-8份；表面离子化改性石墨烯量子点2-5份。
2.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，其特征在于，所述四乙腈基季铵盐型离子晶体的制备方法，包括如下步骤：将亚氨基二乙腈加入有机溶剂中，并向其中加入碘乙腈，在40-60℃下搅拌反应4-6小时，后旋蒸除去溶剂，再用乙酸乙酯洗涤产物3-5次，最后置于真空干燥箱中60-80℃下烘至恒重。
3.根据权利要求2所述的一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，其特征在于，所述亚氨基二乙腈、有机溶剂、碘乙腈的质量比为1:(10-15):3.51。
4.根据权利要求2所述的一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，其特征在于，所述有机溶剂选自乙醚、乙酸乙酯、丙酮中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，其特征在于，所述3,6-二乙炔基咔唑类有机离子的制备方法，包括如下步骤：将3,6-二乙炔基咔唑加入乙醚中，并向其中加入碘乙烷，在室温下搅拌反应4-6小时，后旋蒸除去溶剂，再用乙醚洗涤产物3-5次，最后旋蒸除去溶剂。
6.根据权利要求5所述的一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，其特征在于，所述3,6-二乙炔基咔唑、乙醚、碘乙烷的质量比为1:(10-15):1.45。
7.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，其特征在于，所述表面离子化改性石墨烯量子点的制备方法，包括如下步骤：将氨基石墨烯量子点分散于乙醇中，再向其中加入碘乙腈，在40-60℃下搅拌反应4-6小时，后旋蒸除去溶剂。
8.根据权利要求7所述的一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，其特征在于，所述氨基石墨烯量子点、乙醇、碘乙腈的质量比为(2-3):15:1。
9.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池用固态电解质，其特征在于，所述的添加剂为甲基苯并咪唑、丁基苯并咪唑、叔丁基吡啶中的一种或几种。
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