CN1262596C - 染料敏化纳米晶太阳能电池用电解质及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种染料敏化纳米晶太阳能电池用电解质及其制备方法，其采用具有一定聚合度和分子量的聚乙二醇作为支持介质，加入适量经蒸馏提纯的苯胺，在一定反应条件和催化剂下发生接枝和聚合反应，形成均匀透明具有一定导电性能的凝胶高聚物基体。再加入适当无机盐电解质组成的氧化还原电对，在一定条件下让其充分溶解在高聚物导电基体，经100℃反应和纯化24小时即得聚乙二醇/苯胺高分子凝胶电解质。聚乙二醇/苯胺高分子凝胶电解质具有较高的导电性，高的稳定性，长的使用寿命，在应用到染料敏化纳米晶太阳能电池后，解决了其在使用液体电解质时困难的封装工艺，以及由液体电解质易泄漏挥发而造成短的寿命。使这一新型的化学太阳能电池实用化成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于染料敏化纳米晶太阳能电池的电解质及其制备方法，属于新材料技术以及新能源技术领域。
背景技术
染料敏化纳米晶太阳能电池是九十年代开发出的一种新型化学太阳能电池，因其具有较低的成本、简便的制备工艺以及较好的环境相容性而具有很好的应用前景。但是目前用于染料敏化纳米晶太阳能电池的电解质为液体电解质，其封装工艺复杂，且液体电解质易泄漏挥发，导致其寿命较短，使染料敏化纳米晶太阳能电池无法实现实用化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有良好性能的电解质及其制备方法，使其可以取代染料敏化纳米晶太阳能电池的液体电解质，从而为染料敏化纳米晶太阳能电池的实用化奠定良好的基础。
本发明技术方案是这样的：
本发明的染料敏化纳米晶太阳能电池用电解质为以聚乙二醇或聚乙烯醇为基体材料，附以苯胺、丙烯碳酸酯或乙烯碳酸酯，通过在一定条件下改性接枝反应形成具有一定导电性能的高聚物，再加入适当的无机电解质而制备出的高分子凝胶电解质。
其制法为：
第一步，苯胺、丙烯碳酸酯或乙烯碳酸酯的纯化：将市售分析纯度的苯胺、丙烯碳酸酯或乙烯碳酸酯蒸馏去除聚合体；
第二步，导电高聚物的制备：取市售具有一定聚合度和分子量的聚乙二醇或聚乙烯醇，按照聚乙二醇或聚乙烯醇：苯胺、丙烯碳酸酯或乙烯碳酸酯为1∶1～5∶1的重量比，在80-90℃的水浴中加入一定催化剂反应不少于3小时，使其成为均一透明的基体，随后升高温度到90℃～100℃使多余的苯胺、丙烯碳酸酯或乙烯碳酸酯挥发，直到闻不到苯胺、丙烯碳酸酯或乙烯碳酸酯的气味为止，冷却即得导电高聚物基体；
第三步，无机盐电解质掺杂：在80-90℃下将适量的无机盐电解质以及氧化还原电对加入到第二步所制备的导电高聚物基体中，使无机盐电解质在导电聚合物的摩尔浓度为1.0～2.0mol/l，氧化还原电对I-/I3 -的摩尔浓度为1.0～2.0mol/l和0.1～0.2mol/l，不断搅拌使无机盐和氧化还原电对完全溶解，在此温度下保温12小时以上，使无机盐电解质与导电高聚物基体充分反应，直到形成均一的凝胶电解质。
包括第四步，凝胶电解质的陈化和纯化：将上述第三步制备的凝胶电解质在90-100℃保温24小时以上，其间不断搅拌，以使高分子凝胶电解质均一，上述无机盐在其间完全溶剂化与上述导电高聚物基体结合，便获得高分子凝胶电解质，将高分子凝胶电解质冷却后密闭保存以待用。
本发明中，聚乙二醇分子内具有一定数量的羟基，在适宜的条件下会与苯胺发生接枝反应，形成的导电高聚物在无机电解质掺杂下会获得很高的电导率，同时会保持液体电解质的某些性质，易于离子的迁移和输运。无机盐的加入以及与导电高聚物的溶剂化作用形成有机-无机复合物，这增加了导电高聚物内离子浓度，同时也形成了易于离子迁移的通道。引入的氧化还原电对使其可以应用到染料敏化纳米晶太阳能电池。
本发明聚乙二醇/苯胺高分子凝胶电解质在应用到染料敏化纳米晶太阳能电池后具有与液体电解质相同的性能，且其具有较高的导电性，较高的稳定性，以及较长的使用寿命。解决了因使用液体电解质而造成的封装工艺困难，以及由液体电解质易泄漏挥发而造成寿命短的缺点，使染料敏化纳米晶太阳能电池的实用化成为可能。此外其在固态二次电池、电致发光、电致变色和传感器等领域也有很广泛的应用。
具体实施方式
实施例1：本发明染料敏化纳米晶太阳能电池用电解质，为以聚乙二醇为基体材料，附以苯胺通过在一定条件下改性接枝反应形成具有一定导电性能的高聚物，再加入适当的LiClO4而制备出的具有高导电性的聚乙二醇/苯胺高分子凝胶电解质。
下面为本发明实施例1的具体实施步骤：
第一，苯胺的纯化：采用分析纯苯胺单体，经蒸馏除去聚合体。
第二，聚乙二醇/苯胺高聚物的制备：按聚乙二醇∶苯胺为1∶1的重量比，在80℃的水浴中将聚乙二醇加入到苯胺中，充分搅拌使其完全溶解，加入适量的催化剂。在此温度下不断搅拌，反应3小时。随后升高温度到100℃使多余的苯胺挥发，直到闻不到苯胺的气味为止，冷却即得聚乙二醇/苯胺高聚物基体。
第三，LiClO4掺杂：在80℃下加入LiClO4和氧化还原电对(I2、I3 -)，使LiClO4在聚乙二醇/苯胺导电聚合物基体的摩尔浓度为1.0mol/l，氧化还原电对I-/I3 -的摩尔浓度为1.0mol/l和0.1mol/l。不断搅拌使LiClO4和氧化还原电对(I2、I3 -)完全溶解，随后保温12小时以上。直到形成均一的聚乙二醇/苯胺高分子凝胶电解质。
第四，聚乙二醇/苯胺高分子凝胶电解质的陈化和纯化：将步骤三制备好的聚乙二醇/苯胺高分子凝胶电解质在100℃保温24小时以上，其间不断搅拌，以使聚乙二醇/苯胺高分子凝胶电解质均一，LiClO4在其间完全溶剂化与聚乙二醇/苯胺高聚物基体结合，便获得电导率达到10mS，具有与液体电解质相同的性能的，并具有高的稳定性和长的使用寿命的聚乙二醇/苯胺高分子凝胶电解质，将高分子凝胶电解质冷却后密闭保存以待用。
实施例2：本发明染料敏化纳米晶太阳能电池用电解质，为以聚乙烯醇为基体材料，附以苯胺通过在一定条件下改性接枝反应形成具有一定导电性能的高聚物，再加入适当的LiClO4而制备出的具有高导电性的聚乙烯醇/苯胺高分子凝胶电解质。
下面为本发明实施例2的具体实施步骤：
第一，苯胺的纯化：采用分析纯苯胺单体，经蒸馏除去聚合体。
第二，聚乙烯醇/苯胺高聚物的制备：按聚乙烯醇∶苯胺为1∶1的重量比，在80℃的水浴中将聚乙烯醇加入到苯胺中，充分搅拌使其完全溶解，加入适量的催化剂。在此温度下不断搅拌，反应3小时。随后升高温度到100℃使多余的苯胺挥发，直到闻不到苯胺的气味为止，冷却即得聚乙烯醇/苯胺高聚物基体。
第三，LiClO4掺杂：在80℃下加入LiClO4和氧化还原电对(I2、I3 -)，使LiClO4在聚乙烯醇/苯胺导电聚合物基体的摩尔浓度为1.0mol/l，氧化还原电对I-/I3 -的摩尔浓度为1.0mol/l和0.1mol/l。不断搅拌使LiClO4和氧化还原电对(I2、I3 -)完全溶解，随后保温12小时以上。直到形成均一的聚乙烯醇/苯胺高分子凝胶电解质。
第四，聚乙烯醇/苯胺高分子凝胶电解质的陈化和纯化：将步骤三制备好的聚乙烯醇/苯胺高分子凝胶电解质在100℃保温24小时以上，其间不断搅拌，以使聚乙烯醇/苯胺高分子凝胶电解质均一，LiClO4在其间完全溶剂化与聚乙烯醇/苯胺高聚物基体结合，便获得电导率达到10mS，具有与液体电解质相同的性能的，并具有高的稳定性和长的使用寿命的聚乙烯醇/苯胺高分子凝胶电解质，将高分子凝胶电解质冷却后密闭保存以待用。
实施例3：本发明染料敏化纳米晶太阳能电池用电解质，为以聚乙二醇为基体材料，附以丙烯碳酸酯通过在一定条件下改性接枝反应形成具有一定导电性能的高聚物，再加入适当的LiClO4而制备出的具有高导电性的聚乙二醇/丙烯碳酸酯高分子凝胶电解质。
下面为本发明实施例3的具体实施步骤：
第一，丙烯碳酸酯的纯化：采用分析纯丙烯碳酸酯单体，经蒸馏除去聚合体。
第二，聚乙二醇/丙烯碳酸酯高聚物的制备：按聚乙二醇∶丙烯碳酸酯为1∶1的重量比，在80℃的水浴中将聚乙二醇加入到丙烯碳酸酯中，充分搅拌使其完全溶解，加入适量的催化剂。在此温度下不断搅拌，反应3小时。随后升高温度到100℃使多余的丙烯碳酸酯挥发，直到闻不到丙烯碳酸酯的气味为止，冷却即得聚乙二醇/丙烯碳酸酯高聚物基体。
第三，LiClO4掺杂：在80℃下加入LiClO4和氧化还原电对(I2、I3 -)，使LiClO4在聚乙二醇/丙烯碳酸酯导电聚合物基体的摩尔浓度为1.0mol/l，氧化还原电对I-/I3 -的摩尔浓度为1.0mol/l和0.1mol/l。不断搅拌使LiClO4和氧化还原电对(I2、I3 -)完全溶解，随后保温12小时以上。直到形成均一的聚乙二醇/丙烯碳酸酯高分子凝胶电解质。
第四，聚乙二醇/丙烯碳酸酯高分子凝胶电解质的陈化和纯化：将步骤三制备好的聚乙二醇/丙烯碳酸酯高分子凝胶电解质在100℃保温24小时以上，其间不断搅拌，以使聚乙二醇/丙烯碳酸酯高分子凝胶电解质均一，LiClO4在其间完全溶剂化与聚乙二醇/丙烯碳酸酯高聚物基体结合，便获得电导率达到10mS，具有与液体电解质相同的性能的，并具有高的稳定性和长的使用寿命的聚乙二醇/丙烯碳酸酯高分子凝胶电解质，将高分子凝胶电解质冷却后密闭保存以待用。
实施例4：本发明染料敏化纳米晶太阳能电池用电解质，为以聚乙烯醇为基体材料，附以丙烯碳酸酯通过在一定条件下改性接枝反应形成具有一定导电性能的高聚物，再加入适当的LiClO4而制备出的具有高导电性的聚乙烯醇/丙烯碳酸酯高分子凝胶电解质。
下面为本发明实施例4的具体实施步骤：
第一，丙烯碳酸酯的纯化：采用分析纯丙烯碳酸酯单体，经蒸馏除去聚合体。
第二，聚乙烯醇/丙烯碳酸酯高聚物的制备：按聚乙烯醇∶丙烯碳酸酯为1∶1的重量比，在80℃的水浴中将聚乙烯醇加入到丙烯碳酸酯中，充分搅拌使其完全溶解，加入适量的催化剂。在此温度下不断搅拌，反应3小时。随后升高温度到100℃使多余的丙烯碳酸酯挥发，直到闻不到丙烯碳酸酯的气味为止，冷却即得聚乙烯醇/丙烯碳酸酯高聚物基体。
第三，LiClO4掺杂：在80℃下加入LiClO4和氧化还原电对(I2、I3 -)，使LiClO4在聚乙烯醇/丙烯碳酸酯导电聚合物基体的摩尔浓度为1.0mol/l，氧化还原电对I-/I3 -的摩尔浓度为1.0mol/l和0.1mol/l。不断搅拌使LiClO4和氧化还原电对(I2、I3 -)完全溶解，随后保温12小时以上。直到形成均一的聚乙烯醇/丙烯碳酸酯高分子凝胶电解质。
第四，聚乙烯醇/丙烯碳酸酯高分子凝胶电解质的陈化和纯化：将步骤三制备好的聚乙烯醇/丙烯碳酸酯高分子凝胶电解质在100℃保温24小时以上，其间不断搅拌，以使聚乙烯醇/丙烯碳酸酯高分子凝胶电解质均一，LiClO4在其间完全溶剂化与聚乙烯醇/丙烯碳酸酯高聚物基体结合，便获得电导率达到10mS，具有与液体电解质相同的性能的，并具有高的稳定性和长的使用寿命的聚乙烯醇/丙烯碳酸酯高分子凝胶电解质，将高分子凝胶电解质冷却后密闭保存以待用。
实施例5：本发明染料敏化纳米晶太阳能电池用电解质，为以聚乙二醇为基体材料，附以乙烯碳酸酯通过在一定条件下改性接枝反应形成具有一定导电性能的高聚物，再加入适当的LiClO4而制备出的具有高导电性的聚乙二醇/乙烯碳酸酯高分子凝胶电解质。
下面为本发明实施例5的具体实施步骤：
第一，乙烯碳酸酯的纯化：采用分析纯乙烯碳酸酯单体，经蒸馏除去聚合体。
第二，聚乙二醇/乙烯碳酸酯高聚物的制备：按聚乙二醇∶乙烯碳酸酯为1∶1的重量比，在80℃的水浴中将聚乙二醇加入到乙烯碳酸酯中，充分搅拌使其完全溶解，加入适量的催化剂。在此温度下不断搅拌，反应3小时。随后升高温度到100℃使多余的乙烯碳酸酯挥发，直到闻不到乙烯碳酸酯的气味为止，冷却即得聚乙二醇/乙烯碳酸酯高聚物基体。
第三，LiClO4掺杂：在80℃下加入LiClO4和氧化还原电对(I2、I3 -)，使LiClO4在聚乙二醇/乙烯碳酸酯导电聚合物基体的摩尔浓度为1.0mol/l，氧化还原电对I-/I3 -的摩尔浓度为1.0mol/l和0.1mol/l。不断搅拌使LiClO4和氧化还原电对(I2、I3 -)完全溶解，随后保温12小时以上。直到形成均一的聚乙二醇/乙烯碳酸酯高分子凝胶电解质。
第四，聚乙二醇/乙烯碳酸酯高分子凝胶电解质的陈化和纯化：将步骤三制备好的聚乙二醇/乙烯碳酸酯高分子凝胶电解质在100℃保温24小时以上，其间不断搅拌，以使聚乙二醇/乙烯碳酸酯高分子凝胶电解质均一，LiClO4在其间完全溶剂化与聚乙二醇/乙烯碳酸酯高聚物基体结合，便获得电导率达到10mS，具有与液体电解质相同的性能的，并具有高的稳定性和长的使用寿命的聚乙二醇/乙烯碳酸酯高分子凝胶电解质，将高分子凝胶电解质冷却后密闭保存以待用。
实施例6：本发明染料敏化纳米晶太阳能电池用电解质，为以聚乙烯醇为基体材料，附以乙烯碳酸酯通过在一定条件下改性接枝反应形成具有一定导电性能的高聚物，再加入适当的LiClO4而制备出的具有高导电性的聚乙烯醇/乙烯碳酸酯高分子凝胶电解质。
下面为本发明实施例6的具体实施步骤：
第一，乙烯碳酸酯的纯化：采用分析纯乙烯碳酸酯单体，经蒸馏除去聚合体。
第二，聚乙烯醇/乙烯碳酸酯高聚物的制备：按聚乙烯醇∶乙烯碳酸酯为1∶1的重量比，在80℃的水浴中将聚乙烯醇加入到乙烯碳酸酯中，充分搅拌使其完全溶解，加入适量的催化剂。在此温度下不断搅拌，反应3小时。随后升高温度到100℃使多余的乙烯碳酸酯挥发，直到闻不到乙烯碳酸酯的气味为止，冷却即得聚乙烯醇/乙烯碳酸酯高聚物基体。
第三，LiClO4掺杂：在80℃下加入LiClO4和氧化还原电对(I2、I3 -)，使LiClO4在聚乙烯醇/乙烯碳酸酯导电聚合物基体的摩尔浓度为1.0mol/l，氧化还原电对I-/I3 -的摩尔浓度为1.0mol/l和0.1mol/l。不断搅拌使LiClO4和氧化还原电对(I2、I3 -)完全溶解，随后保温12小时以上。直到形成均一的聚乙烯醇/乙烯碳酸酯高分子凝胶电解质。
第四，聚乙烯醇/乙烯碳酸酯高分子凝胶电解质的陈化和纯化：将步骤三制备好的聚乙烯醇/乙烯碳酸酯高分子凝胶电解质在100℃保温24小时以上，其间不断搅拌，以使聚乙烯醇/乙烯碳酸酯高分子凝胶电解质均一，LiClO4在其间完全溶剂化与聚乙烯醇/乙烯碳酸酯高聚物基体结合，便获得电导率达到10mS，具有与液体电解质相同的性能的，并具有高的稳定性和长的使用寿命的聚乙烯醇/乙烯碳酸酯高分子凝胶电解质，将高分子凝胶电解质冷却后密闭保存以待用。
Claims (3)
1、染料敏化纳米晶太阳能电池用电解质，其特征在于：为以聚乙二醇或聚乙烯醇为基体材料，附以苯胺、丙烯碳酸酯或乙烯碳酸酯，通过在一定条件下改性接枝反应形成具有一定导电性能的高聚物，再加入适当的无机电解质而制备出的高分子凝胶电解质。
2、染料敏化纳米晶太阳能电池用电解质的制备方法，其特征在于：
第一步，苯胺、丙烯碳酸酯或乙烯碳酸酯的纯化：将市售分析纯度的苯胺、丙烯碳酸酯或乙烯碳酸酯蒸馏去除聚合体；
第二步，导电高聚物的制备：取市售具有一定聚合度和分子量的聚乙二醇或聚乙烯醇，按照聚乙二醇或聚乙烯醇∶苯胺、丙烯碳酸酯或乙烯碳酸酯为1∶1～5∶1的重量比，在80-90℃的水浴中加入一定催化剂反应不少于3小时，使其成为均一透明的基体，随后升高温度到90℃～100℃使多余的苯胺、丙烯碳酸酯或乙烯碳酸酯挥发，直到闻不到苯胺、丙烯碳酸酯或乙烯碳酸酯的气味为止，冷却即得导电高聚物基体；
第三步，无机盐电解质掺杂：在80-90℃下将适量的无机盐电解质以及氧化还原电对加入到第二步所制备的导电高聚物基体中，使无机盐电解质在导电高聚物中的摩尔浓度为1.0～2.0mol/l，氧化还原电对I-/I3 -的摩尔浓度为1.0～2.0mol/l和0.1～0.2mol/l，不断搅拌使无机盐和氧化还原电对完全溶解，在此温度下保温12小时以上，使无机盐电解质与导电高聚物基体充分反应，直到形成均一的凝胶电解质。
3、根据权利要求2所述的染料敏化纳米晶太阳能电池用电解质的制备方法，其特征在于：包括第四步，凝胶电解质的陈化和纯化：将上述第三步制备的凝胶电解质在90-100℃保温24小时以上，其间不断搅拌，以使高分子凝胶电解质均一，上述无机盐在其间完全溶剂化与上述导电高聚物基体结合，便获得高分子凝胶电解质，将高分子凝胶电解质冷却后密闭保存以待用。
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