CN102568834A - 一种用于染料敏化太阳电池的电解质及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于染料敏化太阳电池的电解质,以重量计,包括如下组分:聚离子液体5~79%,小分子离子液体10~84%,添加剂0.15~5%,碘单质0~6%;其中:聚离子液体为:小分子离子液体选自:
Description
技术领域
本发明涉及一种用于染料敏化太阳电池的电解质及其制备方法。
背景技术
染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理,研制出来的一种新型太阳电池,其主要优势是:原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单,在大面积工业化生产中具有较大的优势,同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的,部分材料可以得到充分的回收,对保护人类环境具有重要的意义。
现有的染料敏化太阳电池主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、电解质、对电极和导电基底等几部分组成。其中,电解质是染料敏化太阳能电池的核心部件,主要起传输氧化还原对的作用,其性能的优劣直接影响太阳能电池效率。现有的用于染料敏化太阳电池的电解质主要有液态、凝胶、固态等多种形式,参见文献[Dalton.Trans.2008,2655-2666;Adv.Funct.Mater.2009,19,1-16;Adv.Funct.Mater.2007,17,2645-2652]。其中,液态电解质多以有机溶剂作为电解质,如乙腈、3-甲氧基丙腈;此类液体电解质存在易挥发、封装难、稳定性差、高毒性等缺点,参见文献[Adv.Funct.Mater.2007,17,2645-2652;Electrochimica Acta,2006,51,4243-4249]。利用固态电解质制得的固态电池普遍效率低,参见[Adv.Funct.Mater.2007,16,1832-1838]。凝胶电池因具有较高的电池效率,受到社会的关注。
另一方面,聚离子液体做为一种新型电解质引起了人们的广泛兴趣。相对于其他普通聚合物聚离子液体具有高的电导率,组装成的电池有更高的效率和稳定性,参见[J.Mater.Chem.2011,21,7326-7330;Chem.Commun.2011,47,2700-2702]。中国发明专利CN101205283A公开了一种聚合离子液体凝胶型聚合物电解质及其制备方法;其电解质由聚甲基丙烯酸酯类离子液体、单质碘、PC与EC、聚丙烯腈、0~0.5份SiO2组成。该电解质具有制备方法简单、离子电导率高、成膜性好等优点;但这种电解质含有PC与EC等传统有机溶剂,容易泄露,并具有一定的毒性。另外, 中国发明专利CN101245186A公开了一种凝胶状聚离子液体电解质及其制备方法;其聚离子液体为聚组氨酸酯离子液体;该电解质无毒、环境友好,具有优秀的粘结性能,但其电池效率较低,只有1.99%左右。
因此,开发一种用于染料敏化太阳电池的电解质,以降低电解质的毒性,并提高电池效率,具有积极的现实意义。
发明内容
本发明目的是提供一种用于染料敏化太阳电池的电解质及其制备方法。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:一种用于染料敏化太阳电池的电解质,以重量计,包括如下组分:
其中:
所述添加剂选自叔丁基吡啶,N-甲基苯并咪唑,N-丁基苯并咪唑,硫氰酸胍中的一种或几种。
所述聚离子液体的制备方法可参照文献:Journal of Polymer Science: Part A:Polymer Chemistry,2004,42,208-212;2009,47,746-753;Inorg.Chem.,1996,35,1168-1178;J.Am.Chem.Soc.2006,128,7732-7733;J.Mater.Chem.,2002,12,3475-3480。反应历程如下:
其中n=50~400,m=1~9,p=0~5;Y为I,Br,Cl;T为SCN,N(CN)2,C(CN)3,B(CN)4,BF4,PF6,CF3SO3,C2F5SO3,[N(SO2CF3)2],CF3COO中的一种或者几种。
优选的技术方案,
优选的技术方案,所述添加剂选自N-甲基苯并咪唑、硫氰酸胍中的一种或两种。
本发明同时请求保护上述用于染料敏化太阳电池的电解质的制备方法,包括如下步骤:
(1)按上述的组分将小分子离子液体、添加剂、碘单质混合制成液体电解质溶液;
(2)按上述的组分将将聚离子液体加入到上述液体电解质溶液中,在50~140℃下,密闭搅拌1~20小时,溶解均匀,即可得到凝胶状的电解质。
将上述电解质趁热滴到或注射到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,通过进一步加热、抽真空处理使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装,即可制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。
本发明引入的各种聚离子液体,通过各种单体的溶液聚合、本体聚合或者光引发聚合,即可方便得到。如果以I-,Br-,Cl-等阴离子的聚离子液体为前驱体,通过阴离子交换技术可以非常方便的获得各种阴离子型的聚离子液体,进而制备出多种凝胶电解质。进行优化,能够制备电池效率非常高的凝胶电解质太阳能电池。
由于上述技术方案运用,本发明与现有技术相比具有下列优点:
1.本发明开发了一种新的用于染料敏化太阳电池的电解质,其不含有传统的有毒溶剂,不会对环境造成污染,且不易泄露;此外,利用本发明的电解质制成的太阳电池,其电池效率可达6%左右,具有显著的效果。
2.本发明的原料简单易得,制备方法操作简便,价格低廉,由其制备太阳电池易封装,电池的稳定性高,电池效率较高。
3.本发明通过引入双阳离子型聚离子液体,电解质短时间内就容易形成均一性很好的凝胶电解质,电导率仍然很高,并有利于碘离子的迁移。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述:
实施例一
丁基苯并咪唑0.02g,碘单质0.02g,50℃下,混合搅拌20h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为3.6%。
实施例二
丁基苯并咪唑0.015g,碘单质0.02g,100℃下,混合搅拌10h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为4.2%。
实施例三
丁基苯并咪唑0.015g,碘单质0.02g,140℃下,混合搅拌8h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为2.7%。
实施例四
丁基苯并咪唑0.15g,碘单质0.02g,100℃下,混合搅拌10h,得到凝胶电解 质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为4.1%。
实施例五
丁基苯并咪唑0.15g,碘单质0.02g,100℃下,混合搅拌10h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为4.6%。
实施例六
丁基苯并咪唑0.15g,碘单质0.02g,100℃下,混合搅拌10h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为4.3%。
实施例七
丁基苯并咪唑0.15g,碘单质0.02g,100℃下,混合搅拌10h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使 得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为5.2%。
实施例八
丁基苯并咪唑0.15g,碘单质0.02g,100℃下,混合搅拌10h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为5.8%。
实施例九
丁基苯并咪唑0.15g,硫氰酸胍0.10g,碘单质0.02g,100℃下,混合搅拌10h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为6.4%。
实施例十
叔丁基吡啶0.15g,碘单质0.02g,100℃下,混合搅拌10h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为5.1%。
实施例十一
叔丁基吡啶0.15g,碘单质0.02g,100℃下,混合搅拌10h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为4.2%。
实施例十二
叔丁基吡啶0.15g,碘单质0.02g,100℃下,混合搅拌10h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效 率为5.8%。
实施例十三
甲基苯并咪唑0.15g,碘单质0.02g,100℃下,混合搅拌10h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为5.6%。
实施例十四
甲基苯并咪唑0.15g,碘单质0.02g,100℃下,混合搅拌10h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为5.7%。
实施例十五
叔丁基吡啶0.15g,硫氰酸胍0.01g,碘单质0.02g, 100℃下,混合搅拌10h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为4.2%。
实施例十六
叔丁基吡啶0.15g,碘单质0.02g,50℃下,混合搅拌20h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为5.5%。
实施例十七
叔丁基吡啶0.20g,碘单质0.02g,140℃下,混合搅拌5h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为5.9%。
实施例十八
叔丁基吡啶0.20g,碘单质0.02g,140℃下,混合搅拌5h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为6%。
实施例十九
叔丁基吡啶0.20g,碘单质0.05g,140℃下,混合搅拌5h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为5.4%。
实施例二十
叔丁基吡啶0.30g,碘单质0.05g,140℃下,混合搅拌5h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装 制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为5.1%。
实施例二十一
叔丁基吡啶0.30g,硫氰酸胍0.01g,碘单质0.05g,140℃下,混合搅拌5h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为5.4%。
实施例二十二
丁基苯并咪唑0.05g,碘单质0.02g,140℃下,混合搅拌5h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为4.9%。
实施例二十三
丁基苯并咪唑0.05g,碘单质0.2g,140℃下,混合搅拌5h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为5.6%。
实施例二十四
丁基苯并咪唑0.05g,碘单质0.20g,140℃下,混合搅拌5h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为5.2%。
实施例二十五
丁基苯并咪唑0.05g,碘单质0.2g,140℃下,混合搅拌5h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效 率为5.5%。
实施例二十六
丁基苯并咪唑0.05g,碘单质0.2g,140℃下,混合搅拌5h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为6.1%。
实施例二十七
丁基苯并咪唑0.05g,碘单质0.4g,140℃下,混合搅拌5h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为4.8%。
实施例二十八
丁基苯并咪唑0.05g,硫氰酸胍0.01g,碘单质0.2g, 140℃下,混合搅拌5h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为5.5%。
实施例二十九
丁基苯并咪唑0.05g,硫氰酸胍0.01g,碘单质0.2g,140℃下,混合搅拌5h,得到凝胶电解质,趁热滴到吸附了染料的二氧化钛膜与Pt电极之间,进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中,再进行封装制得准固态全离子液体凝胶太阳能电池。在室温环境,使用氙灯模拟太阳光,光强100mW/cm2条件下,测得电池(有效面积0.16cm2)光电转换效率为6.5%。
实施例三十
Claims (5)
3.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的电解质,其特征在于:所述小分子离子液体选自:中的一种或几种,其中s=1~3,Z选自I,SCN,B(CN)4中的一种。
4.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的电解质,其特征在于:所述添加剂选自N-甲基苯并咪唑、硫氰酸胍中的一种或两种。
5.一种用于染料敏化太阳电池的电解质的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)按权利要求1所述的组分将小分子离子液体、添加剂、碘单质混合制成液体电解质溶液;
(2)按权利要求1所述的组分将将聚离子液体加入到上述液体电解质溶液中,在50~140℃下,密闭搅拌1~20小时,溶解均匀,即可得到凝胶状的电解质。
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