DE102014225140A1 - Verfahren zum Verbessern der Wirksamkeit eines Elektrolyten mit Langzeitstabilität und Farbstoffsolarzelle für ein Fahrzeug unter Verwendung desselben - Google Patents

Verfahren zum Verbessern der Wirksamkeit eines Elektrolyten mit Langzeitstabilität und Farbstoffsolarzelle für ein Fahrzeug unter Verwendung desselben Download PDF

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Yong Jun Jang
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Abstract

Es werden ein nichtflüchtiger Elektrolyt und ein Verfahren zum Herstellen einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle unter Verwendung des nichtflüchtigen Elektrolyten offenbart. Insbesondere kann der Elektrolyt die Stabilität während eines Haltbarkeitstests eines Solarzellenmoduls aufrechterhalten. Ferner kann der Bruch der Abdichtung eines Moduls, der im Stand der Technik auftritt, verhindert werden, und die Ionenmobilität kann verbessert werden, was die Wirksamkeit verbessert.

Description

  • TECHNISCHER BEREICH
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektrolyten, der dazu verwendet werden kann, die Leistung und die Lebensdauer einer Solarzelle zu verbessern, und ein Verfahren zum Herstellen einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle für ein Fahrzeug unter Verwendung des Elektrolyten der Erfindung.
  • HINTERGRUND
  • Die Stromgewinnung aus Sonnenlicht mit Hilfe einer Solarzelle ist umweltfreundlich und hat sich gegenüber einer Stromerzeugung auf der Basis von fossilen Brennstoffen dahingehend bewährt, dass weder Luftverschmutzung noch Geräusche auftreten und die Energiequelle, d. h. Sonnenlicht, nicht aufgebraucht wird. Unter verschiedenen Solarzellen fand eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle auf der Basis von nanokristallinem porösem Titanoxid (TiO2) besondere Beachtung und wurde aufgrund ihres hohen Energieumwandlungswirkungsgrades und ihrer geringen Herstellungskosten umfassend untersucht.
  • Die farbstoffsensibilisierte Solarzelle, die eine Solarzelle der dritten Generation sein kann, wurde neben ihrem hohen Energieumwandlungswirkungsgrad auch insbesondere wegen ihrer niedrigen Herstellungskosten hervorgehoben, die ungefähr ein Fünftel von denen der Silizium-Solarzelle betragen können. Da ein transparentes leitfähiges Glassubstrat verwendet wird und Module in verschiedenen Farben mit unterschiedlichen Farbstoffen und Elektrolyten hergestellt werden können, kann die farbstoffsensibilisierte Solarzelle ferner auf einem Fenster eines Gebäudes oder dergleichen aufgebracht werden.
  • Die farbstoffsensibilisierte Solarzelle kann mit einer Photoelektrode gebildet werden, die eine Oxidhalbleiterelektrode, die mit einem Farbstoff auf einer ihrer Oberflächen auf einem leitfähigen Substrat adsorbiert ist, einen Elektrolyten, der eine Oxidations- und Reduktionsreaktion durchführen kann, und eine Gegenelektrode umfassen kann, wobei eine Katalysatorelektrode auf einem leitfähigen Substrat gebildet wird. Wenn Licht auf die farbstoffsensibilisierte Solarzelle gestrahlt wird, adsorbiert der Farbstoff die Energie des Lichts, um ein Elektron-Loch-Paar zu erzeugen, und das erzeugte Elektron wird in ein Leitungsband eines Oxidhalbleiters injiziert. Das injizierte Elektron wird anschließend durch den Oxidhalbleiter zu einer transparenten Elektrode transportiert und bewegt sich durch einen äußeren Stromkreis, wenn die Photoelektrode und die Gegenelektrode miteinander verbunden werden, wobei elektrischer Strom erzeugt wird. Das in dem Farbstoff erzeugte Elektronenloch empfängt Elektronen von dem Elektrolyten, der oxidieren und reduzieren kann, und wird zurückreduziert, wodurch die farbstoffsensibilisierte Solarzelle wiederhergestellt und ein Stromkreis der farbstoffsensibilisierten Solarzelle geschlossen wird. In diesem Fall kann die Gegenelektrode das sich durch den äußeren Stromkreis bewegende Elektron bereitstellen, wodurch eine Oxidations-Reduktions-Reaktion der Ionen in dem Elektrolyten ausgelöst wird. Da das Elektron effizient zu dem Elektrolyten übertragen werden muss, weist die Gegenelektrode herkömmlicherweise eine Struktur auf, wo das leitfähige Substrat mit dem Katalysator beschichtet ist. Ferner kann der Katalysator eine hohe katalytische Aktivität, einen vergrößerten Oberflächenbereich und erhöhte elektrische Leitfähigkeit oder erhöhte Ionenleitfähigkeit erfordern, um dadurch einen minimalen elektrischen Widerstand an der Schnittstelle mit dem Elektrolyten aufzuweisen, und weiter eine Langzeitstabilität in dem Elektrolyten erfordern. Überdies kann der in der farbstoffsensibilisierten Solarzelle verwendete Elektrolyt einen erhöhten Siedepunkt aufweisen, um sowohl eine lange Lebensdauer als auch eine verbesserte Ionenleitfähigkeit zu erhalten, was die Wirksamkeit beeinflusst.
  • Im verwandten Stand der Technik wurden als der Elektrolyt der farbstoffsensibilisierten Solarzelle verwendete Zusammensetzungen wie folgt beschrieben.
  • Beispielsweise wurde ein Elektrolyt für eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle berichtet, und der Elektrolyt beinhaltet die Imidazol-basierte ionische Flüssigkeit vom Oligomertyp N-(3-(1-Methylimidazol)propyl)hexanamidiodid (NMIPHI), wobei die Imidazol-basierte ionische Flüssigkeit vom Oligomertyp ein N-Alkylimidazolium-propylhexanamidiodid als Basisstruktur aufweist und ein Iodidion (I–), d. h. ein anorganisches Anion, umfasst. Der Elektrolyt kann entsprechend der Substitution einer Reaktionsgruppe eines organischen Kations in einem festen oder flüssigen Zustand vorliegen, und der Elektrolyt wird durch Zugabe von Iod, 4-tert-Butylpyridin (TBP) und 3-Methoxypropionitril (MPN) zu der ionischen Flüssigkeit hergestellt (z. B. offengelegte koreanische Patentanmeldung Nr. 2013-0084719 ).
  • Im verwandten Stand der Technik ist auch ein Elektrolyt für eine Solarzelle bereitgestellt, der ein Komplexsalz aus Imidazol und C1-C20 Diiodalkan und ein Kation eines Komplexes aus Imidazol und C1-C20 Diiodalkan und aus Iod (I2) hergestellte Iodidionen (I–/I3 –) umfasst, und es wurde auch eine Solarzelle unter Verwendung des Elektrolyts entwickelt. Der Elektrolyt umfasst ferner 1 bis 10 Gewichtsteile eines nichtflüchtigen organischen Lösungsmittels, wie etwa Acetonitril, Gamma-Butyrolactan und 3-Methoxypropionitril, zusätzlich zu dem oben erwähnten Elektrolyten (z. B. offengelegte koreanische Patenanmeldung Nr. 2009-0022383 ).
  • Bei einem weiteren Beispiel im verwandten Stand der Technik wurde eine Imidazol-basierte Ionenlösung vom Polymertyp oder Oligomertyp entwickelt. Die Ionenlösung umfasst ein Iodidion (I–) und 1 bis 25 Ethylenoxidmonomere und weist eine Struktur aus Ethylenoxidmonomeren und Urethan, in der Harnstoff mit den Ethylenoxidmonomeren verbunden ist, und eine Imidazoliumstruktur an einem Ende auf. Der Elektrolyt für eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle, die ein organisches Lösungsmittel ausgewählt aus Acetonitril, 3-Methoxypropionitril, Gamma-Butyrolacton, Ethylenglycol und dergleichen zusätzlich zu der zuvor erwähnten Ionenlösung umfasst, wurde ebenfalls offenbart (z. B. offengelegte koreanische Patenanmeldung Nr. 2011-0011158 ).
  • Ferner wurde eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle mit einem Imidazolium-basierten Elektrolyt vom flüssigen Typ berichtet. Der Imidazolium-basierte Elektroyt vom flüssigen Typ kann bei Raumtemperatur und höheren Temperaturen in einem flüssigen Zustand sein und eine ausgezeichnete thermische Stabilität und Temperaturstabilität aufweisen, ohne ein organisches Lösungsmittel in einem Elektrolyten zu verwenden. Somit wurde die farbstoffsensibilisierte Solarzelle bereitgestellt, die eine Halbleiterelektrode; eine Gegenelektrode; und einen auf Iod basierten 1,3-Vinylalkylimidazolium-Elektrolyten, der zwischen die Halbleiterelektrode und die Gegenelektrode eingebracht ist, umfasst (z. B. US-Patentveröffentlichung Nr. 2004-0261842 ).
  • In einem weiteren Beispiel des Standes der Technik wurde eine Elektrolytlösung für eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle entwickelt. Der Elektrolyt umfasst ein organisches Lösungsmittel; ein Oxidations-Reduktions-Derivat; eine Pyrrolidiniumiodid-basierte ionische Flüssigkeit ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 1-Butyl-1-methylpyrrolidiniumiodid, 1-Methyl-1-propylpyrrolidiniumiodid (MPPyI) und 1-Ethyl-1-methylpyrrolidiniumiodid; und t-Butylpyridin als Additiv, in dem das organische Lösungsmittel eine Art von oder mehrere Mischlösungen ausgewählt aus Ethylencarbonat, 3-Methoxypropionitril, Gamma-Butyrolacton, Diethylcarbonat und dergleichen ist (z. B. koreanisches Patent Nr. 10-1088676 ).
  • Indessen wurden ein Polymerpartikel dispergierendes Element, ein Elektrolyt und eine Zelle bereitgestellt, und der Elektrolyt umfasst ein Polymerpartikel dispergierendes Element, das Polymerpartikeln und eine ionische Flüssigkeit enthält, in der die Polymerpartikel Monomerkomponenten sind und Methyl(meth)acrylat, Isobutyl(meth)acrylat, Cyclohexyl(meth)acrylat und dergleichen umfassen, und die ionische Flüssigkeit 1-Ethyl-3-vinylimidazolium oder 1-Methyl-3-ethylimidazoliumiodid umfasst (z. B. japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2004-256711 ).
  • In einigen weiteren verwandten Dokumenten aus dem Stand der Technik wurde ein Elektrolyt für eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle vorgeschlagen. Der Elektrolyt umfasst die Imidazol-basierte ionische Flüssigkeit vom Oligomertyp N-(3-(1-methylimidazolium)propyl)hexanamidiodid (NMIPHI) und 3-Methoxypropionitril als Lösungsmittel. Ferner umfasst die Solarzelle den Elektrolyten mit dem Komplexsalz aus Imidazol und C1-C20 Diiodalkan und ein Kation des Komplexsalzes und aus Iod (I2) hergestellte Iodidionen (I–/I3 –), und umfasst ferner das nichtflüchtige Lösungsmittel, wie etwa Acetonitril. Darüber hinaus wurde vorgeschlagen, dass der Elektrolyt für die Solarzelle eine Imidazol-basierte Ionenlösung vom Polymertyp oder vom Oligomertyp umfassend das Iodidion (I–) und 1 bis 25 Ethylenoxidmonomeren und das organische Lösungsmittel, wie etwa Acetonitril, enthält und die Imidazol-basierte Verbindung und das Lösungsmittel umfasst. Jedoch umfasst der Elektrolyt in einer derartigen farbstoffsensibilisierten Solarzelle nicht die Imidazolium-basierte Verbindung, wie etwa 1-Propyl-3-methylimidazoliumiodid, oder die Pyridinium-basierte Verbindung, wie die ionische Flüssigkeit, und somit kann die Stabilität signifikant reduziert werden (z. B. offengelegte koreanische Patentanmeldung Nr. 2013-0084719 ; offengelegte koreanische Patentanmeldung Nr. 2009-0022383 ; offengelegte koreanische Patentanmeldung Nr. 2011-0011158 ).
  • Ferner wurde in weiteren verwandten Dokumenten die farbstoffsensibilisierte Solarzelle mit dem Iodid-basierten 1,3-Vinylalkylimidazolium-Elektrolyten offenbart. Die Elektrolytlösung für die farbstoffsensibilisierte Solarzelle umfasst das organische Lösungsmittel; das Oxidations-Reduktions-Derivativ; die Pyrrolidiniumiodid-basierte ionische Flüssigkeit; und das Additiv. Ferner umfasst der Elektrolyt das Polymerpartikel dispergierende Element, das die Polymerpartikel und die ionische Flüssigkeit enthält, umfasst jedoch nicht die ionische Flüssigkeit und das flüssige Lösungsmittel mit niedriger Viskosität, und somit kann sich die Leistungsfähigkeit verschlechtern (z. B. US-Patentveröffentlichung Nr. 2004-0261842 ; koreanisches Patent Nr. 10-1088676 ; offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2004-256711 ).
  • Die oben beschriebenen herkömmlichen Technologien im verwandten Stand der Technik sind darauf gerichtet, das Austreten von Flüssigkeit oder das Verflüchtigen des Elektrolyten für die Solarzelle durch Verwendung einer gewöhnlichen ionischen Flüssigkeit und Aufrechterhaltung ihrer Stabilität zu verhindern. Es wurde jedoch keine spezielle Lösung für eine optimale Zusammensetzung des Elektrolyten bei Verwendung des Lösungsmittels mit geringer Viskosität als das Additiv in dem ionischen flüssigen Elektrolyten, einen Effekt der Wirksamkeitsverbesserung und die Aufrechterhaltung der Langzeitstabilität bereitgestellt.
  • Insbesondere kann, um eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle bei Fahrzeugen einzusetzen, eine Langzeitstabilität in der tatsächlichen Fahrzeugumgebung in einem Temperaturbereich von ungefähr –40 bis 85°C erforderlich sein, die durch Verwendung eines hochdauerfesten Materials, das die Leistungsfähigkeit selbst bei rauen Umweltbedingungen aufrechterhält, erreicht wird.
  • Jedoch kann in den aktuellen Technologien des verwandten Standes der Technik, die einen flüssigen Elektrolyten mit niedrigem Siedepunkt verwenden, trotz einer Verbesserung der Wirksamkeit die Temperaturbeständigkeit in der tatsächlichen Fahrzeugumgebung aufgrund eines niedrigen Siedepunktes und geringer Fließfähigkeit gering sein, und somit kann ein derartiger flüssiger Elektrolyt nicht für ein Fahrzeug verwendet werden. Indessen kann sich, wenn der Elektrolyt eine verbesserte Lebensdauer und eine Viskosität aufweist, die höher als die eines flüssigen Lösungsmittels ist, die Ionenmobilität verringern, und somit kann sich die Wirksamkeit der solaren Energieumwandlung im Vergleich mit dem flüssigen Elektrolyten stark reduzieren.
  • Zur Entwicklung einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle für ein Fahrzeug ist demnach ein neuartiger Elektrolyt erwünscht, der bei schwierigen Evaluierungsbedingungen für das Fahrzeug beständig ist sowie verbesserte Wirksamkeit aufweist.
  • Die in diesem Hintergrundabschnitt offenbarte obige Information dient lediglich dem besseren Verständnis des Hintergrundes der Erfindung und kann daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, wie er hierzulande einem Durchschnittsfachmann bereits bekannt ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt technische Lösungen für die oben genannten technischen Probleme und den Bedarf an einem neuartigen Elektrolyten bereit, der sowohl Beständigkeit bei schwierigen Evaluierungsbedingungen für ein Fahrzeug als auch verbesserte Wirksamkeit bereitstellt. Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung einen nichtflüchtigen, auf einer ionischen Flüssigkeit basierten Elektrolyten und ein Verfahren zum Herstellen einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle unter Verwendung desselben.
  • In einem Aspekt wird ein Elektrolyt für eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle bereitgestellt. Der Elektrolyt kann umfassen: eine nichtflüchtige ionische Flüssigkeit; und ein niedrigviskoses flüssiges Lösungsmittel mit einer Viskosität von ungefähr 10 cP oder darunter. Insbesondere kann das niedrigviskose flüssige Lösungsmittel zu der nichtflüchtigen ionischen Flüssigkeit in einer Menge von ungefähr 1 bis 10 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht der nichtflüchtigen ionischen Flüssigkeit zugegeben werden.
  • In bestimmten beispielhaften Ausführungsformen kann der Elektrolyt seine Stabilität während eines Haltbarkeitstests eines Solarzellenmoduls aufrechterhalten. Zudem kann im Gegensatz zu einem bestehenden flüssigen Elektrolyten bei dem Elektrolyten der Erfindung kein Bruch der Modulabdichtung auftreten, und eine verbesserte Mobilität der Ionen kann erhalten werden, was die Wirkungsfähigkeit verbessert.
  • In weiteren bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann durch das Verwenden einer ionischen Flüssigkeit der Siedepunkt des Elektrolyten auf ungefähr 300°C oder darüber erhöht werden, und die Leistungsfähigkeit der Solarzelle kann durch Verwenden eines flüssigen Lösungsmittels als ein Additiv in einem vorbestimmten Verhältnis im Vergleich zu der herkömmlichen Solarzelle, bei der der Elektrolyt ohne das flüssige Lösungsmittel verwendet wird, verbessert werden. Ferner kann die Dichtungsstabilität durch Steuern des Dampfdrucks des flüssigen Lösungsmittels aufrechterhalten werden, das für eine optimierte Zusammensetzung bei erhöhten Temperaturen zugegeben werden kann.
  • Dementsprechend kann gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wenn der Elektrolyt für die farbstoffsensibilisierte Solarzelle, der ein flüssiges Lösungsmittel mit niedriger Viskosität, wie etwa Acetonitril, 3-Methoxypropionitril oder Butyrolacton als Additiv enthält, der ionischen Flüssigkeit, die eine Imidazolium-basierte Verbindung oder eine Pyridinium-basierte Verbindung enthält, zugegeben wird, die farbstoffsensibilisierte Solarzelle die Beständigkeit und den Umwandlungswirkungsgrad selbst in einer rauen Fahrzeugumgebung aufrechterhalten.
  • Weitere Aspekte und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend diskutiert.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen derselben beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und nachfolgend lediglich zur Veranschaulichung dienen und somit die vorliegende Erfindung nicht begrenzen, und wobei:
  • 1 einen beispielhaften optimalen Gehalt eines beispielhaften Additivs für flüssige Lösungsmittel veranschaulicht, das einem beispielhaften Elektrolyten für eine beispielhafte farbstoffsensibilisierte Solarzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugegeben wird;
  • 2 eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Struktur einer beispielhaften farbstoffsensibilisierten Solarzelle veranschaulicht, die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
  • 3 das Ergebnis einer beispielhaften Impedanzanalyse zeigt, das aus Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wurden. Wie hier gezeigt ist, kann der Elektrolyt in Beispiel 1 die Beständigkeit eines flüssigen Elektrolyten mit hoher Ionenmobilität aufweisen.
  • 4 zeigt das Ergebnis einer beispielhaften thermogravimetrischen Analyse, das aus Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wurde. Wie hierin gezeigt, kann eine Verdunstungsmenge des Elektrolyten in Beispiel 1 verbessert werden.
  • Bezugszeichen, die in den Zeichnungen festgelegt wurden, beziehen sich auf die folgenden Elemente, wie nachfolgend diskutiert:
  • Bezugszeichenliste
    • 101
    erstes Substrat
    102
    UV-härtendes Mittel
    103
    anorganische Oxidschicht
    104
    Elektrolytschicht einer ionischen Flüssigkeit
    105
    Gegenelektrodenschicht
    106
    zweites Substrat
  • Es versteht sich, dass die angehängten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, sondern eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener beispielhafter Merkmale sind, die die Grundgedanken der Erfindung veranschaulichen. Die spezifischen Ausgestaltungsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart ist, umfassen beispielsweise spezifische Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen und werden teilweise durch den jeweiligen Verwendungszweck und die Nutzungsumgebung bestimmt.
  • In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung über sämtliche Figuren der Zeichnung hinweg.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”fahrzeugmäßig” oder andere ähnliche Ausdrücke, wie sie hierin verwendet werden, Motorfahrzeuge im Allgemeinen, wie etwa Passagierautomobile einschließlich Geländewagen (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene kommerzielle Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Luftfahrzeuge und dergleichen beinhaltet und Hybridfahrzeuge, elektrische Fahrzeuge, Plug-In-hybridelektrische Fahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und weitere mit alternativen Brennstoffen (z. B. Brennstoffen, welche aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden) betriebene Fahrzeuge umfasst. Wie hierin erwähnt, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, welches zwei oder mehr Energiequellen aufweist, zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch betriebene Fahrzeuge.
  • Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck des Beschreibens von speziellen Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht begrenzen. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen ”ein, eine” und ”der, die, das” ebenso die Pluralformen umfassen, wenn es der Zusammenhang nicht deutlich anders aufzeigt. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke ”umfasst” und/oder ”umfassend”, wenn sie in dieser Patentschrift verwendet werden, das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Betriebsabläufe, Elemente, Bestandteile und/oder Komponenten spezifizieren, jedoch nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer weiterer Merkmale, Zahlen, Schritte, Betriebsabläufe, Elemente, Bestandteile und/oder deren Gruppen ausschließen. Der Ausdruck ”und/oder”, wie er hierin verwendet wird, beinhaltet sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgeführten Begriffe.
  • Wenn nicht spezifisch aufgeführt oder aus dem Kontext offensichtlich, ist der Ausdruck ”ungefähr”, wie er hierin benutzt wird, als innerhalb eines Bereiches normaler Toleranz im Stand der Technik zu verstehen, beispielsweise innerhalb von 2 Standardabweichungen vom Mittelwert. ”Ungefähr” kann als innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des aufgeführten Wertes verstanden werden. Wenn nicht anderweitig aus dem Kontext ersichtlich, sind alle numerischen Werte, die hierin bereitgestellt werden, durch den Ausdruck ”ungefähr” modifiziert.
  • Hier nachfolgend wird nun im Detail Bezug auf verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genommen, deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind und im Folgenden beschrieben werden. Während die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, ist offensichtlich, dass die vorliegende Beschreibung nicht beabsichtigt, die Erfindung auf diese beispielhaften Ausführungsformen zu begrenzen. Im Gegenteil soll die Erfindung nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen abdecken, die in den Grundgedanken und den Umfang der Erfindung mit einbezogen werden können, wie durch die angehängten Ansprüche definiert.
  • In einem Aspekt wird ein Elektrolyt für eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle offenbart, der die Ionenmobilität, Haltbarkeit und Leistungsfähigkeit verbessen kann. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Elektrolyt umfassen: eine nichtflüchtige ionische Flüssigkeit; und ein niedrigviskoses flüssiges Lösungsmittel mit einer Viskosität von ungefähr 10 cP oder darunter. Insbesondere kann das niedrigviskose flüssige Lösungsmittel der nichtflüchtigen ionischen Flüssigkeit, die eine verbesserte Beständigkeit aufweist, in einer Menge von ungefähr 1 bis 10 Gew.-% zugegeben werden.
  • In bestimmten beispielhaften Ausführungsformen kann die nichtflüchtige ionische Flüssigkeit, die das niedrigviskose flüssige Lösungsmittel umfasst, aber nicht darauf beschränkt ist, eine oder mehrere einer Imidazolium-basierten Verbindung, einer Pyridinium-basierten Verbindung oder Kombinationen davon sein. Die Imidazolium-basierte Verbindung, wie hierin verwendet, kann eine oder mehrere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: 1-Propyl-3-methylimidazoliumiodid, 1-Butyl-3-methylimidazoliumiodid, 1-Hexyl-3-methylimidazoliumiodid, 1-Hexyl-2,3-dimethylimidazoliumiodid, 1-Ethyl-3-methylimidazolium-bis(trifluormethansulfonyl)imid, 1-Ethyl-3-methylimidazolium-dicyanamid, 1-Ethyl-3-methylimidazolium-tetrafluoroborat, 1-Ethyl-3-methylimidazolium-thiocyanat und 1-Ethyl-3-methylimidazolium-selenocyanat umfassen. Alternativ kann die ionische Flüssigkeit eine Pyridinium-basierte Verbindung ein, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Pyridinium-basierte Verbindung kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: 1-Butylpyridiniumiodid, 1-Hexylpyridiniumiodid und Kombinationen.
  • In bestimmten Ausführungsformen kann das niedrigviskose flüssige Lösungsmittel eine Viskosität von ungefähr 10 cP oder darunter aufweisen. In noch weiteren bestimmten beispielhaften Ausführungsformen kann das niedrigviskose flüssige Lösungsmittel Acetonitril, 3-Methoxypropionitril oder Gemische davon sein, was für den Elektrolyten für die farbstoffsensibilisierte Solarzelle eines Fahrzeugs besonders geeignet ist, ist jedoch nicht darauf beschränkt. In noch weiteren bestimmten beispielhaften Ausführungsformen kann der Gehalt an niedrigviskosem flüssigem Lösungsmittel einer Menge von ungefähr 1,0 bis 10 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht der ionischen Flüssigkeit entsprechen.
  • Wenn der Gehalt an niedrigviskosem flüssigem Lösungsmittel weniger als ungefähr 1,0 Gew.-% beträgt, kann keine ausreichende Verbesserung der Mobilität der Redoxspezies in der ionischen Flüssigkeit erhalten werden, und ein derartiger Elektrolyt kann aufgrund einer Reduktion der Wirksamkeit der Solarzelle nicht verwendet werden. Wenn der Gehalt an niedrigviskosem flüssigem Lösungsmittel mehr als ungefähr 10 Gew.-% beträgt, kann das flüssige Lösungsmittel verdampfen, und die Zellabdichtung einer Solarzelle kann durch den erzeugten Dampfdruck brechen, wenn der Elektrolyt in einer Fahrzeugumgebung verwendet wird.
  • Bei bestimmten beispielhaften Ausführungsformen kann der Elektrolyt Additive zu dem ionischen flüssigen Elektrolyten umfassen. Das Additiv kann LiI, NaI, KI, LiBr, NaBr, KBr, GuSCN, Pyridin, ein tert-Butyl-Pyridin-Gemisch oder dergleichen sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt. In noch weiteren bestimmten beispielhaften Ausführungsformen kann das Additiv einzeln oder in Kombination als eine Mischform verwendet werden. Der Gehalt des Additivs kann in einer Menge von ungefähr 1 Gew.-% bis 10 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht der ionischen Flüssigkeit unter Berücksichtigung des Effektes einer Wirksamkeitsverbesserung und Löslichkeit enthalten sein.
  • BEISPIELE
  • Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung, sollen diese jedoch nicht begrenzen.
  • Hier nachfolgend wird das Verfahren zum Herstellen der farbstoffsensibilisierten Solarzelle, die gemäß verschiedenen Beispielen der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, nachstehend beschrieben, dies bestimmt jedoch nicht den Umfang der vorliegenden Erfindung.
  • Die nichtflüchtige ionische Flüssigkeit in dem folgenden Beispiel kann 1-Butyl-3-methylimidazoliumiodid und eine ionische flüssige Spezies als das in der vorliegenden Erfindung umfasste äquivalente Material sein.
  • Beispiel 1: Herstellen eines beispielhaften ionischen Flüssigelektrolyten, der eine Menge von ungefähr 1 bis 10 Gewichtsteilen des flüssigen Lösungsmittels umfasst
  • Eine Mischlösung wurde durch Zugabe von ungefähr 90 Gewichtsteilen der ionischen Flüssigkeit, ungefähr 4 Gewichtsteilen tert-Butylpyridin und ungefähr 3 Gewichtsteilen GuSCN hergestellt und ungefähr 1 Stunde lang gerührt. Anschließend wurden ungefähr 3 Gewichtsteile Iod in die Mischlösung gegeben und ungefähr 1 Stunde lang gerührt. Dann wurden weiter ungefähr 3 Gewichtsteile des niedrigviskosen flüssigen Lösungsmittels zugegeben und ungefähr 24 Stunden lang gerührt. Das niedrigviskose flüssige Lösungsmittel kann eine Viskosität von ungefähr 10 cP oder darunter aufweisen, und Beispiele davon können Acetonitril und 3-Methoxyproprionitril oder das Gemisch davon sein.
  • Vergleichsbeispiel 1: Herstellen des ionischen Flüssigelektrolyten ohne das niedrigviskose flüssige Lösungsmittel
  • Ein Mischlösung wurde durch Zugabe von ungefähr 90 Gewichtsteilen der ionischen Flüssigkeit, ungefähr 4 Gewichtsteilen von tert-Butylpyridin und ungefähr 32 Gewichtsteilen von GuSCN hergestellt und ungefähr 1 Stunde lang gerührt. Anschließend wurden ungefähr 3 Gewichtsteile Iod in die Mischlösung zugegeben und 1 Stunde lang gerührt.
  • Vergleichsbeispiel 2: Herstellen des ionischen Flüssigelektrolyten mit einer Menge von ungefähr 10 Gewichtsteilen oder mehr des niedrigviskosen flüssigen Lösungsmittels
  • Eine Mischlösung wurde durch Zugabe von ungefähr 90 Gewichtsteilen der ionischen Flüssigkeit, ungefähr 4 Gewichtsteilen von tert-Butylpyridin und ungefähr 3 Gewichtsteilen von GuSCN hergestellt und ungefähr 1 Stunde lang gerührt. Anschließend wurden der Mischlösung ungefähr 3 Gewichtsteile Iod zugegeben und ungefähr 1 Stunde lang gerührt. Danach wurden weiter ungefähr 12 Gewichtsteile oder mehr des niedrigviskosen flüssigen Lösungsmittels zugegeben und ungefähr 24 Stunden lang gerührt. Das niedrigviskose flüssige Lösungsmittel kann eine Viskosität von ungefähr 10 cP oder darunter aufweisen, und Beispiele davon können Acetonitril und 3-Methoxypropionitril oder die Mischung davon sein.
  • Herstellungsbeispiel: Herstellung der Solarzelle
  • Eine Titandioxidpaste (Solaronix S. A.) wurde auf ein mit Fluor dotiertes Zinnoxid-(FTO-)Substrat mittels Siebdruck aufgebracht. Das beschichtete Substrat wurde bei einer Temperatur von ungefähr 500°C ungefähr 30 Minuten lang gebrannt. Ein Farbstoff (Solaronix S. A., N719) wurde auf der hergestellten Titandioxid-Photoelektrode bei einer herkömmlichen Temperatur ungefähr 24 Stunden lang adsorbiert. Anschließend wurde ein UV-Härtungsmittel auf dem Äußeren (Außenhaut) der Photoelektrode aufgebracht, auf der der Farbstoff adsorbiert wurde, und das Substrat der mit Platin beschichteten und gesinterten Gegenelektrode wurde darauf aufgebracht, und ein Härten wurden unter Verwendung von UV-Aushärtungsgeräten durchgeführt. Nachdem die Elektrolyten des Beispiels 1 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 in die hergestellten Zellen injiziert wurden, wurden ihre Einlässe mit dem gleichen UV-Härtungsmittel versiegelt, um die Leistungsfähigkeiten der Zellen zu vergleichen.
  • Die hergestellten Solarzellen, die Elektrolyten des Beispiels 1 und der Vergleichsbeispiele 1–2 umfassen, werden verglichen, wie in Tabelle 1 gezeigt. Wie unten gezeigt ist, wird das niedrigviskose flüssige Lösungsmittel gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugegeben, und die Wirksamkeit der Zelle kann sich verbessern. [Tabelle 1]
    Probe Jsc (mA/cm2) Voc (V) Füllfaktor Effizienz der Energieumwandlung (%)
    Vergleichs-Beispiel 1 9,5 0,55 0,52 2,71
    Beispiel 1 13,4 0,61 0,61 5,00
  • Ferner kann sich, wie in 3 gezeigt, die Ionenmobilität in dem Elektrolyten, dem das flüssige Lösungsmittel gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugegeben wurde, verbessern. Insbesondere kann sich die Ionenmobilität des Elektrolyten der vorliegenden Erfindung durch eine Reduktion des Widerstandswerts auf den Widerstandswert auf einen Pegel, der ähnlich zu dem des niedrigviskosen flüssigen Elektrolyten ist, verbessern, wenn eine Menge von ungefähr 1,0 bis 10 Gewichtsteilen des flüssigen Lösungsmittelzusatzes in Beispiel 1 dem ionischen Flüssigelektrolyten mit den hohen Beständigkeitseigenschafen der hohen Viskosität zugegeben wird.
  • Demgemäß kann der Dampfdruck des Elektrolyten mit dem niedrigviskosen flüssigen Lösungsmittel gesteuert werden, wie in 4 gezeigt wird.
  • Wenn der Gehalt an niedrigviskosem flüssigem Lösungsmittel in einer Menge von ungefähr 10 Gew.-% oder darüber umfasst ist, kann der photoelektrische Wirkungsgrad aufgrund des Bruchs der Abdichtung während der beschleunigten Beurteilung der Dauerhaftigkeit schnell reduziert werden, wie in Tabelle 2 und 1 gezeigt. [Tabelle 2]
    Probe Effizienz der Energieumwandlung vor beschleunigter Beständigkeitsbewertung(%) Effizienz der Energieumwandlung nach beschleunigter Beständigkeitsbewertung(%)
    Beispiel 1 5,00 4,40
    Vergleichsbeispiel 2 2,71 0,31
  • Die Erfindung wurde im Detail mit Bezug auf ihre beispielhaften Ausführungsformen beschrieben. Jedoch wird von Fachleuten gewürdigt werden, dass Änderungen an diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Grundgedanken und dem Geist der Erfindung abzuweichen, deren Umfang in den angehängten Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • US 2004-0261842 [0009, 0013]
    • KR 10-1088676 [0010, 0013]
    • JP 2004-256711 [0011, 0013]

Claims (8)

  1. Elektrolyt für eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle, umfassend: eine nichtflüchtige ionische Flüssigkeit; ein niedrigviskoses flüssiges Lösungsmittel mit einer Viskosität von ungefähr 10 cP oder darunter, wobei das niedrigviskose flüssige Lösungsmittel in einer Menge von ungefähr 1 bis 10 Gew.-% der nichtflüchtigen ionischen Flüssigkeit basierend auf dem Gesamtgewicht der nichtflüchtigen ionischen Flüssigkeit zugegeben wird.
  2. Elektrolyt nach Anspruch 1, wobei die nichtflüchtige ionische Flüssigkeit eine oder mehrere einer Imidazolium-basierten Verbindung, einer Pyridinium-basierten Verbindung oder Kombinationen davon ist.
  3. Elektrolyt nach Anspruch 2, wobei die Imidazolium-basierte Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 1-Propyl-3-methylimidazoliumiodid, 1-Butyl-3-methylimidazoliumiodid, 1-Hexyl-3-methylimidazoliumiodid, 1-Hexyl-2,3-dimethylimidazoliumiodid, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumbis(trifluormethansulfonyl)imid, 1-Ethyl-3-methylimidazolium-dicyanamid, 1-Ethyl-3-methylimidazolium-tetrafluoroborat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumthiocyanat und 1-Ethyl-3-methylimidazolium-selenocyanat.
  4. Elektrolyt nach Anspruch 2, wobei die Pyridinium-basierte Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 1-Ethyl-3-methylimidazolium-selenocyanat; und 1-Butylpyridiniumiodid und 1-Hexylpyridiniumiodid.
  5. Elektrolyt nach Anspruch 1, wobei das niedrigviskose flüssige Lösungsmittel mit der Viskosität von 10 cP oder darunter ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Acetonitril, 3-Methoxypropionitril und Kombinationen davon.
  6. Elektrolyt nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt ferner eines oder mehrere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus LiI, NaI, KI, LiBr, NaBr, KBr, GuSCN, Pyridin und tert-Butylpyridin umfasst.
  7. Farbstoffsensibilisierte Solarzelle, umfassend: den Elektrolyten nach Anspruch 1.
  8. Farbstoffsensibilisierte Solarzelle für ein Fahrzeug, umfassend: den Elektrolyten nach Anspruch 1.
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