專利名稱：染料敏化太陽能電池準固態電解質及用其制備太陽能電池的方法
技術領域：
本發明屬于一種準固態電解質的制備技術，特別涉及應用于染料敏化太陽能電池的準固態電解質及用其制備太陽能電池的方法。
背景技術：
現如今世界環境污染、溫室效應、能源危機等問題日益嚴重。人們對可再生能源的需求持續的增加。作為一種綠色能源，太陽能受到了人們的廣泛關注。太陽能電池是開發利用太陽能最有效的方式之一。與傳統的p-n結太陽能電池相比，染料敏化太陽能電池 (DSSC)作為一種價廉的非傳統的太陽能電池，顯示出極好的前景。盡管由液態電解質組成的傳統DSSC具有較高的光電轉換效率，但是由于液態電解質存在著很多問題，例如1.液態電解質中的有機溶劑易揮發，可能導致染料的降解和脫附；2.液態電解質流動性大，密封工藝復雜，并且密封劑可能會與電解質發生反應；3. 光生載流子受擴散控制，遷移速率較慢，在強光的照射下，光電流不穩定。4.液態電解質本身不穩定，易發生化學反應，因此導致電池壽命大大降低。因此，為了解決上述問題，研究者們開始關注準固態和全固態電解質。雖然全固態電解質能夠克服液態電解質的大部分缺點。但是由于目前全固態電解質主要是由有機空穴傳輸材料、P-型無機半導體材料構成的，因此電解質的離子和電子傳導性都比較差。這就導致了全固態DSSC的光電轉換效率普遍比較低。而準固態電解質介于液態和固態電解質之間，既克服了液態電解質易漏液、 封裝難等缺點又具有較高的電導率。因此受到了研究者的普遍關注。本發明采用的α-氰基丙烯酸酯與空氣中的氧氣和水發生交聯聚合反應形成三維網狀聚合物。這種三維網狀結構提供了強大的離子傳輸通道，有效的提高了電解質的離子傳導率。在聚合物凝膠電解質中添加無機添加劑可以降低聚合物的結晶度。而降低聚合物的結晶度則有利于改善準固態染料敏化太陽能電池的熱穩定性。此外，無機添加劑的加入有利于氧化還原電對傳輸孔道的建立，從而增加了離子的導電性。同時可以減少電極與電解質界面的電子復合，有效的抑制暗電流，從而提高了 DSSC的光電流，進而提高了電池的轉換效率。
發明內容
技術問題為了解決現有的染料敏化太陽能電池液態電解質存在的易漏液、易揮發、封裝難等問題，本發明提供了一種染料敏化太陽能電池準固態電解質及用其制備太陽能電池的方法。本發明制備的準固態電解質熱穩定性、力學性能好，電導率高；凝膠速度快、 易制備、成本低，易于實現工業化生產；并且能夠從根本上解決液態電解質易漏液、封裝難等問題。技術方案一種染料敏化太陽能電池準固態電解質，它由以下組分及質量百分配比混合而成α -氰基丙烯酸酯2-30% ；無機添加劑0. 1-10% ；碘化物5-20% ；單質碘 0. 5-5% ；增塑劑=10-50% ；光陽極配合劑0. 5-10% ；有機溶劑:10-30%。所述的α-氰基丙烯酸酯為α-氰基丙烯酸甲酯、α-氰基丙烯酸乙酯、α -氰基丙烯酸丙酯、α-氰基丙烯酸甲丁酯或α-氰基丙烯酸己酯中的一種或幾種的混合物。所述的無機添加劑選自納米SiO2、納米TiO2、納米Α1203、納米aiO、納米、納米碳管、納米碳纖維、活性炭、炭黑或石墨。所述的碘化物為碘化鋰、碘化鈉、碘化鉀、碘化鎂、1-甲基-3-己基咪唑碘、1-乙基-3-己基咪唑碘、1-丙基3-甲基咪唑碘或四丙基碘化銨中的一種或幾種的混合物。所述的增塑劑是碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或者是任意比例它們的混合物。所述的光陽極配合劑為4-叔丁基吡啶或者是N-甲基苯并咪唑。所述的有機溶劑是乙腈、戊腈、3-甲氧基丙基腈中的一種或者是任意比例它們的混合物。一種染料敏化太陽能電池準固態電解質的制備方法，步驟如下將α-氰基丙烯酸酯、無機添加劑、碘化物、單質碘、增塑劑、光陽極配合劑、有機溶劑按比例混合，攪拌均勻，形成凝膠，制得染料敏化太陽能電池所用的準固態電解質。用染料敏化太陽能電池準固態電解質制備太陽能電池的方法制備準固態電解質根據上述配比將α-氰基丙烯酸酯、無機添加劑、碘化物、單質碘、增塑劑、光陽極配合劑、有機溶劑按比例混合，攪拌均勻，形成凝膠，制得染料敏化太陽能電池所用的準固態電解質；制備DSSC漿料稱取6 g P25粉末，12 g冰醋酸和2 g研磨過的PEG20000，攪拌混合； 將2 g乙基纖維素溶于25 mL乙醇和松油醇的2:1體積比混合物中，得到無色透明的粘稠液體；將此粘稠液體加至上述的粉末混合物中，再加5滴曲拉通X-100，磁力攪拌4小時；用刮涂法將此漿料涂覆在以摻雜氟的SnO2導電玻璃上，制備成TW2薄膜電極；將上述TW2薄膜電極放在馬弗爐中450 °C下燒結30分鐘，提高半導體納米顆粒結晶度；吸附染料將上述電極在80 °C下加熱20分鐘后浸入N3染料的乙醇溶液中，N3染料濃度為3X 10_4 mol/ L，室溫浸泡M h后取出，用無水乙醇將物理吸附的N3染料沖洗掉，自然風干；將準固態電解質刮涂到TW2薄膜電極上，蓋上對電極鉬片，用夾子夾緊，得太陽能電池。本發明采用的α-氰基丙烯酸酯與空氣中的氧氣和水發生交聯聚合反應形成三維網狀聚合物。這種三維網狀結構提供了強大的離子傳輸通道，有效的提高了電解質的離子傳導率。并且聚氰基丙烯酸酯中的N原子能與1-丙基3-甲基咪唑碘中的咪唑陽離子形成超分子自組裝結構。這種結構(如圖1)可以將咪唑陽離子固定，有利于碘負離子的傳輸， 提高離子的傳導率。有益效果
1.準固態電解質介于液態和固態電解質之間，既具有較高的電導率又克服了液態電解質易漏液、封裝難等缺點。
2.本發明采用的α-氰基丙烯酸酯與空氣中的氧氣和水發生交聯聚合反應形成三維網狀聚合物。這種三維網狀結構提供了強大的離子傳輸通道，有效的提高了電解質的離子傳導率。3.在聚合物凝膠電解質中添加無機添加劑增加了離子的導電性。改善了準固態染料敏化太陽能電池的熱穩定性。同時可以減少電極與電解質界面的電子復合，有效的抑制暗電流，從而提高了 DSSC的光電流，進而提高了電池的轉換效率。
圖1聚氰基丙烯酸酯中的N原子與1-丙基3-甲基咪唑碘中的咪唑陽離子形成自組裝結構示意圖2本發明所述的準固態電解質內部結構示意圖；1、電子傳輸路徑 2、I 3、I3-4、無機添加劑5、聚氰基丙烯酸酯6、碘化物
圖3為實施例1-6中準固態電解質的電導率變化曲線。圖4為由實施例1-6中的準固態電解質組裝成DSSC的測試曲線(DSSC的輸出電流和光電壓曲線，即I-V曲線)；
在I-V曲線中，曲線在縱坐標上的截距為短路電流密度(Js。)。即，電流處于短路(外電阻為零)時的電流密度，等于電池的短路電流與電池有效面積之比。曲線在橫坐標上的截距為開路電壓(V。。)，即電路處于開路(外電阻無窮大)時的電壓。
具體實施例方式
下面將結合實施例對本發明做詳細的介紹，但本發明并不局限于以下實施例所述內容。
實施例1
準固態電解質由以下組分及質量百分配比組成α -氰基丙烯酸酯10% ；石墨粉0% ； 四丙基碘化銨15% ；單質碘1. 5% ；4-叔丁基吡啶5% ；碳酸丙烯酯48. 5% ；乙腈20%。 實施例2
準固態電解質由以下組分及質量百分配比組成α-氰基丙烯酸酯10%;石墨粉 0. 1% ；四丙基碘化銨15% ；單質碘1. 5% ；4-叔丁基吡啶5% ；碳酸丙烯酯48. 4% ；乙腈 20%。 實施例3
準固態電解質由以下組分及質量百分配比組成α-氰基丙烯酸酯10%;石墨粉 0. 3% ；四丙基碘化銨15% ；單質碘1. 5% ；4-叔丁基吡啶5% ；碳酸丙烯酯48. 2% ；乙腈 20%。實施例4
準固態電解質由以下組分及質量百分配比組成 0. 4% ；四丙基碘化銨15% ；單質碘1. 5% ；4-叔丁基吡啶 20%。 實施例5
準固態電解質由以下組分及質量百分配比組成 0. 5% ；四丙基碘化銨15% ；單質碘1. 5% ；4-叔丁基吡啶 20%。 實施例6
準固態電解質由以下組分及質量百分配比組成 0. 7% ；四丙基碘化銨15% ；單質碘1. 5% ；4-叔丁基吡啶 20%。制備實施例1-6的準固態電解質染料敏化太陽 a制備準固態電解質。將α -氰基丙烯酸酯、無機添加劑、碘化物、單質碘、增塑劑、光陽
極配合劑、有機溶劑按比例混合，攪拌均勻，形成凝膠，制得染料敏化太陽能電池所用的準固態電解質。b制備DSSC漿料。稱取6 g P25粉末(Degussa公司)，12 g冰醋酸和2 g研磨過的PEG20000，攪拌混合。將2 g乙基纖維素溶于25 mL乙醇和松油醇的混合物中(體積比 2:1)，得到無色透明的粘稠液體。將此粘稠液體加至上述的粉末混合物中，再加5滴曲拉通 X-100，磁力攪拌4小時。c用刮涂法將此漿料涂覆在以摻雜氟的SnO2導電玻璃(SnO2:F，簡稱為FT0)上，制備成TiO2薄膜電極。d將上述TW2薄膜電極放在馬弗爐中450 °C下燒結30分鐘，提高半導體納米顆
粒結晶度。e吸附染料。將上述電極在80 °C下加熱20分鐘后浸入N3染料(澳大利亞DYESOL 公司購買)的乙醇溶液(N3染料濃度為3X10_4 mol/L)中，室溫浸泡M h后取出，用無水乙醇將物理吸附的N3染料沖洗掉，自然風干。f將準固態電解質刮涂到TiO2薄膜電極上，蓋上對電極鉬片，用夾子夾緊，進行 I-V測試。測試結果如圖4。
α-氰基丙烯酸酯10%;石墨粉 5%;碳酸丙烯酯48. 1%;乙腈
α-氰基丙烯酸酯10%;石墨粉
5%;碳酸丙烯酯48. 0%;乙腈
α-氰基丙烯酸酯10%;石墨粉 5%;碳酸丙烯酯48.0%;乙腈
能電池的方法如下
權利要求
1.一種染料敏化太陽能電池準固態電解質，其特征在于它由以下組分及質量百分配比混合而成α-氰基丙烯酸酯2-30%;無機添加劑0. 1-10% ；碘化物5-20% ；單質碘0. 5-5% ；增塑劑:10-50% ；光陽極配合劑0. 5-10% ；有機溶劑10-30%。
2.根據權利要求1所述的一種染料敏化太陽能電池準固態電解質，其特征在于所述的α-氰基丙烯酸酯為α-氰基丙烯酸甲酯、α-氰基丙烯酸乙酯、α-氰基丙烯酸丙酯、 α-氰基丙烯酸甲丁酯或α-氰基丙烯酸己酯中的一種或幾種的混合物。
3.根據權利要求1所述的一種染料敏化太陽能電池準固態電解質，其特征在于所述的無機添加劑選自納米SiO2、納米TiO2、納米Al2O3、納米&10、納米、納米碳管、納米碳纖維、活性炭、炭黑或石墨。
4.根據權利要求1所述的一種染料敏化太陽能電池準固態電解質，其特征在于所述的碘化物為碘化鋰、碘化鈉、碘化鉀、碘化鎂、1-甲基-3-己基咪唑碘、1-乙基-3-己基咪唑碘、1-丙基3-甲基咪唑碘或四丙基碘化銨中的一種或幾種的混合物。
5.根據權利要求1所述的一種染料敏化太陽能電池準固態電解質，其特征在于所述的增塑劑是碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或者是任意比例它們的混合物。
6.根據權利要求1所述的一種染料敏化太陽能電池準固態電解質，其特征在于所述的光陽極配合劑為4-叔丁基吡啶或者是N-甲基苯并咪唑。
7.根據權利要求1所述的一種染料敏化太陽能電池準固態電解質，其特征在于所述的有機溶劑是乙腈、戊腈、3-甲氧基丙基腈中的一種或者是任意比例它們的混合物。
8.用染料敏化太陽能電池準固態電解質制備太陽能電池的方法，其特征在于a.制備準固態電解質根據上述配比將α-氰基丙烯酸酯、無機添加劑、碘化物、單質碘、增塑劑、光陽極配合劑、有機溶劑按比例混合，攪拌均勻，形成凝膠，制得染料敏化太陽能電池所用的準固態電解質；b.制備DSSC漿料稱取6g P25粉末，12 g冰醋酸和2 g研磨過的PEG20000，攪拌混合；將2 g乙基纖維素溶于25 mL乙醇和松油醇的2:1體積比混合物中，得到無色透明的粘稠液體；將此粘稠液體加至上述的粉末混合物中，再加5滴曲拉通X-100，磁力攪拌4小時；c.用刮涂法將此漿料涂覆在以摻雜氟的SnO2導電玻璃上，制備成TW2薄膜電極；d.將上述TiO2薄膜電極放在馬弗爐中450°C下燒結30分鐘，提高半導體納米顆粒結晶度；e.吸附染料將上述電極在80°C下加熱20分鐘后浸入N3染料的乙醇溶液中，N3染料濃度為3X10_4 mol/L，室溫浸泡對h后取出，用無水乙醇將物理吸附的N3染料沖洗掉， 自然風干；f.將準固態電解質刮涂到打02薄膜電極上，蓋上對電極鉬片，用夾子夾緊，得太陽能電池。
全文摘要
染料敏化太陽能電池準固態電解質及用其制備太陽能電池的方法，組成為α-氰基丙烯酸酯2-30%；無機添加劑0.1-10%；碘化物5-20%；單質碘0.5-5%；增塑劑10-50%；光陽極配合劑0.5-10%；有機溶劑10-30%。本發明的準固態電解質熱穩定性、力學性能好，電導率高；凝膠速度快、易制備、成本低，易于實現工業化生產；并且能夠從根本上解決液態電解質易漏液、封裝難等問題。
文檔編號H01G9/022GK102280256SQ20111012969
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月19日 優先權日2011年5月19日
發明者孫岳明, 王育喬, 馬藝文 申請人:東南大學