專利名稱：單陰離子傳導聚合物固態電解質及其制備方法和應用的制作方法
技術領域：
單陰離子傳導聚合物固態電解質及其制備方法和應用，屬于電解質技術領域，具體涉及一種單陰離子傳導聚合物固態電解質及其制備方法，以及該固態電解質在染料敏化太陽能電池中的應用。
背景技術：
染料敏化太陽能電池由于光電轉換效率高、制作簡單、材料成本低廉、穩定性好而備受關注。目前高效率的染料敏化太陽能電池都是采用含有乙腈、3-甲氧基丙腈等易揮發性有機溶劑的液態電解質。有機溶劑的易揮發與泄露等問題嚴重限制了基于液態電解質的染料敏化太陽能電池的工業生產和實際應用。用凝膠電解質代替液態電解質雖然可在一定程度上解決電解質的密封問題，但凝膠電解質仍含有液態成份，特別是在溫度較高時，仍存在電解質泄漏的問題。采用不含任何液態成份的固態電解質代替液態電解質制備染料敏化太陽能電池可以徹底解決電池電解質密封的問題。但目前報道的不含任何液態成份的染料敏化太陽能電池固態電解質由于電導率低、與電極界面接觸性能差等缺點，導致組裝的固態染料敏化太陽能電池的光電轉換效率較低。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種穩定性好，電導率高，易密封，與電極界面接觸良好且不含任何液態成份的單陰離子傳導聚合物固態電解質； 同時提供該固態電解質的制備工藝。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是該單陰離子傳導聚合物固態電解質，其特征在于由聚合物A、碘單質和無機納米粒子，按重量比1 0 0.2 0 0.5組成，聚合物A的化學式為
r+/=/=Ur
一 —N^ N-(CH2)- N ^ N-(CH2)5r -其中，1 = 5 500的自然數。優選的，由聚合物Α、碘單質和無機納米粒子，按重量比1 0. 05 0. 15 0. 1 0.4組成。其中，所述聚合物A由烷基二咪唑B和二碘代烷C按摩爾比1 1.2 1.2 1
混合，在溫度60 100°C下聚合反應生成，烷基二咪唑B和二碘代烷C的化學式分別為 /=\ f=\B =N^N-(CH2)5rNn^N C =I-(CH2)^ I 其中，η = 3 7，m = 1、3 6 的自然數。所述無機納米粒子為Si02、TiO2中的一種或兩種任意比例的混合物，納米粒子的粒徑為為10 300nm。上述單陰離子傳導聚合物固態電解質的制備方法，其特征在于，包括如下步驟
1)將烷基二咪唑B和二碘代烷C按上述摩爾比混合，再按比例加入碘單質和/或無機納米粒子形成固態電解質前趨體；2)將上述固態電解質前趨體升溫到60 100°C，烷基二咪唑B與二碘代烷C發生聚合反應生成聚合物A使電解質固化，即得。該單陰離子傳導聚合物固態電解質主要應用于染料敏化太陽能電池中，作為染料敏化太陽能電池中的電解質，可有效避免傳統染料敏化太陽能電池液態電解質的泄露問題，改善電解質/電極的界面接觸。本發明的單陰離子傳導聚合物固態電解質體系，通過調控電解質中碘和無機納米粒子的加入量、烷基二咪唑B和二碘代烷C的分子結構、固化反應過程的反應溫度和反應時間，可以調控電解質的組成及聚集狀態，可形成離子擴散與電荷交換的雙重電導機制，這大大提高了所制備電解質的電導率；電解質的反應固化過程可在電極表面原位進行，這可改善電解質與電極的界面接觸，同時易實現電池的連續化生產。與現有技術相比，本發明單陰離子傳導聚合物固態電解質所具有的有益效果是 1、制備工藝簡單，電解質中不含任何液態成份，能徹底解決了液態電解質面對工業化生產、 實際應用中出現的易泄漏、不易密封的問題；2、電解質的固化過程可以在電極表面原位進行，可大大改善電解質與電極的界面接觸；3、電解質中陽離子被固定在電解質中聚合物主鏈上，只有陰離子r和I3-可以傳導，結合無機納米復合可在電解質體系中形成離子擴散和電荷交換的雙重電導機制，使電解質有較高的電導性。4、本發明制備的單陰離子聚合物固態電解質應用于染料敏化太陽能電池中的光電轉換效率達到5. 5%以上，而且電解質固化與電池組裝可同步在線完成，適合于大規模自動化生產過程。
圖1為實施例14制備的單陰離子聚合物全固態電解質染料敏化太陽能電池中電解質對二氧化鈦電極的浸潤情況，圖Ia為加入電解質前；圖Ib為加入電解質后。圖2為實施例14中制備的單陰離子聚合物全固態電解質組裝的染料敏化太陽能電池的I-V特性曲線。下面結合附圖1 2對本發明做進一步說明，其中實施例14為最佳實施例
具體實施例方式下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；下述烷基二咪唑合成方法參見文獻(S. K. Sharma, M. Tandon, J. W. Lown, J. Org. Chem, 2000,65 :1102)，其他所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。本發明中染料敏化二氧化鈦工作電極的制備方法首先對導電玻璃進行預清潔處理，然后將含有3wt%聚苯乙烯粒子(粒徑為40nm) 的二氧化鈦漿料涂敷在處理好的導電玻璃上，室溫晾干后，在450°C下處理30分鐘，然后浸入N3染料的乙醇溶液中，保持12小時后，用無水乙醇沖洗，即得染料敏化二氧化鈦工作電極。本發明中染料敏化太陽能電池對電極的制備方法將濃度為0. 007M濃度的H2PtCl6的異丙醇溶液噴涂到預熱到60°C的導電玻璃上，溶劑揮發后，將其加熱390°C，15分鐘后取出，得電池對電極。實施例1將0. Olmol (1. 96g)N, N'-戊基二咪唑與 0. Olmol (3. 02g) 1,4- 二碘丁烷混合均勻(N，N'-戊基二咪唑與1，4_ 二碘丁烷摩爾比為1 1)，形成固態電解質前趨體。在溫度90°C下N，N'-戊基二咪唑與1，4_ 二碘丁烷發生聚合反應生成聚合物Al，使電解質前趨體固化，得到單陰離子傳導聚合物固態電解質，聚合物Al的結構為
權利要求
1.一種單陰離子傳導聚合物固態電解質，其特征在于由聚合物A、碘單質和無機納米粒子，按重量比1 0 0.2 0 0.5組成，聚合物A的化學式為一 _N^N-(CH2)- N^N+-(CH2)5r -其中，1 = 5 500的自然數。
2.根據權利要求1所述的單陰離子傳導聚合物固態電解質，其特征在于由聚合物A、 碘單質和無機納米粒子，按重量比1 0.05 0.15 0.1 0.4組成。
3.根據權利要求1所述的單陰離子傳導聚合物固態電解質，其特征在于所述聚合物A 由烷基二咪唑B和二碘代烷C按摩爾比1 1.2 1.2 1混合，在溫度60 100°C聚合反應生成，烷基二咪唑B和二碘代烷C的化學式分別為 /=\ f=\B =N^N-(CH2)5rN^N C =I-(CH2)^I 其中，η = 3 7，m = 1、3 6 的自然數。
4.根據權利要求1所述的單陰離子傳導聚合物固態電解質，其特征在于所述無機納米粒子是Si02、Ti&中的一種或兩種任意比例的混合物，納米粒子的粒徑為10 300nm。
5.根據權利要求1 4任一項所述的單陰離子傳導聚合物固態電解質的制備方法，其特征在于，包括如下步驟5. 1將烷基二咪唑B和二碘代烷C按摩爾比1. 2 1 1 1. 2混合，加入碘單質和/ 或無機納米粒子形成固態電解質前趨體；5.2將上述固態電解質前趨體升溫到60 100°C，烷基二咪唑B與二碘代烷C發生聚合反應生成聚合物A使電解質固化，即得。
6.根據權利要求1 4任一項所述的單陰離子傳導聚合物固態電解質在染料敏化太陽能電池中作為電解質的應用。
全文摘要
本發明涉及一種單陰離子傳導聚合物固態電解質及其制備方法，以及該固態電解質在染料敏化太陽能電池中的應用，屬于電解質技術領域。其特征在于由聚合物A、碘單質和無機納米粒子，按重量比1∶0～0.2∶0～0.5組成。該固態電解質制備工藝簡單，電解質中不含任何液態成份，能徹底解決了液態電解質面對工業化生產、實際應用中出現的易泄漏、不易密封的問題，同時能改善固態電解質的界面擴散滲透和界面接觸。該固態電解質的單陰離子傳導性質可以消除陽離子的不利影響，有效提高電解質中氧化還原對的傳輸速率。應用于染料敏化太陽能電池中的光電轉換效率達到5.5％以上，電解質固化與電池組裝可同步在線完成，適合于大規模自動化生產過程。
文檔編號H01G9/028GK102522204SQ20121000609
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者王桂強, 禚淑萍 申請人:山東理工大學