用于染料敏化太陽能電池的準固態電解質及其制備方法與流程

文檔序號：11099551閱讀：424來源：國知局

本發明涉及能源材料技術領域，具體而言，涉及用于染料敏化太陽能電池的準固態電解質及其制備方法。

背景技術：

染料敏化太陽能電池具有價格低廉、環境友好、制作簡單等優點，成為第三代太陽能電池的代表。染料敏化太陽能電池由染料敏化光陽極、電解質和對電極三個部分組成，其中電解質在染料還原再生或空穴傳輸過程中發揮著重要作用。

準固態電解質是一種介于液體電解質和全固態之間的凝膠態電解質，它能最大限度地保持液體電解質的高遷移率，同時具有固態電解質的長期穩定性能，從而被廣泛用于制備穩定高效的準固態染料敏化太陽能電池。相比于其他準固態電解質，離子液體基準固態電解質作為準固態電解質之一受到格外的關注，這是因為室溫離子液體具有電導率高及電化學窗口寬等優點，且可以克服有機溶劑沸點低、易揮發的缺陷。然而，由于離子液體在室溫下仍然處于液體狀態，因此存在著易泄漏的問題，影響電池的長期穩定性。近年來，為了克服離子液體基準固態電解質易泄漏問題，研究人員用有機小分子、無機納米顆粒以及高分子聚合物作為凝膠劑，分別制備的離子液體-有機小分子準固態電解質、離子液體-無機納米顆粒準固態電解質以及離子液體-高分子聚合物準固態電解質在一定程度上可以克服離子液體電解質易泄漏的問題，但仍然難以解決離子液體電解質的長期穩定性問題。因此，利用電紡技術制備新型準固態電解質，克服電解質易泄露的問題，提高電池的長期穩定性是本領域研究的重點和挑戰。

現有技術中，準固態電解質的光電轉化效率有限。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明提供了一種用于染料敏化太陽能電池的準固態電解質及其制備方法，更好的克服了上述現有技術存在的問題和缺陷，該準固態電解質以具有三維網狀結構的電紡聚合物纖維膜作為載體，負載離子液體電解質，其應用于染料敏化太陽能電池的光電轉化效率較高，且制備方法簡單。

一種用于染料敏化太陽能電池的準固態電解質，其包含三維網狀的電紡聚合物纖維膜，以及負載于所述電紡聚合物纖維膜上的離子液體電解質。

進一步地，所述電紡聚合物纖維膜的厚度為40～80微米。

進一步地，所述電紡聚合物纖維膜的孔隙率在40～80％。

進一步地，所述電紡聚合物纖維膜的材質為聚偏氟乙烯。

進一步地，所述離子液體為1-丁基-3-甲基咪唑碘。

本發明還提供了一種用于染料敏化太陽能電池的準固態電解質的制備方法，包括以下步驟：

提供一電紡聚合物纖維膜，該電紡聚合物纖維膜由聚合物溶液靜電紡絲而成；

以及，將所述電紡聚合物纖維膜浸泡在離子液體電解質中。

進一步地，所述聚合物溶液為PVDF溶解于由丙酮和N，N-二甲基甲酰胺所組成溶劑所形成的溶液。

進一步地，所述靜電紡絲時間為2～6h。

進一步地，所述離子液體電解質還包含碘單質和添加劑。

進一步地，所述添加劑為N-甲基苯并咪唑或4-叔丁基吡啶；所述碘單質的摩爾濃度為0.3～0.7mol/L。

本發明的用于染料敏化太陽能電池的準固態電解質，其包含三維網狀的電紡聚合物纖維膜，以及負載于所述電紡聚合物纖維膜上的離子液體電解質，由于三維網狀結構能提較大的比表面積，不僅可以更有效地負載離子液體電解質，降低了離子液體電解質的流動性，提高了離子液體電解質的長期穩定性，而且使離子液體在三維網狀結構的電紡聚合物纖維膜上分布較均勻，提高離子液體電解質的電導率和離子遷移率，使得到的準固態電解質在用作染料敏化太陽能電池時具有較高的光電轉化效率。

附圖說明

圖1是本發明實施例1制得的基于PVDF電紡纖維膜的準固態電解質應用于染料敏化太陽能電池裝置在100mW/cm²的照明狀態下的電壓-電流密度的曲線圖；

圖2是本發明實施例2制得的基于PVDF電紡纖維膜的準固態電解質應用于染料敏化太陽能電池裝置在100mW/cm²的照明狀態下的電壓-電流密度的曲線圖；

圖3是本發明實施例3制得的基于PVDF電紡纖維膜的準固態電解質應用于染料敏化太陽能電池裝置在100mW/cm²的照明狀態下的電壓-電流密度的曲線圖。

具體實施方式

為了便于理解本發明，下面結合實施例的方式對本發明的技術方案做詳細說明，在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明。

但是本發明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似改進，因此本發明不受下面公開的具體實施的限制。

除非另有限定，本文使用的所有技術以及科學術語具有與本發明所屬領域普通技術人員通常理解的相同的含義。當存在矛盾時，以本說明書中的定義為準。

如本文所用之術語：

“由……制備”與“包含”同義。本文中所用的術語“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它變形，意在覆蓋非排它性的包括。例如，包含所列要素的組合物、步驟、方法、制品或裝置不必僅限于那些要素，而是可以包括未明確列出的其它要素或此種組合物、步驟、方法、制品或裝置所固有的要素。

連接詞“由……組成”排除任何未指出的要素、步驟或組分。如果用于權利要求中，此短語將使權利要求為封閉式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但與其相關的常規雜質除外。當短語“由……組成”出現在權利要求主體的子句中而不是緊接在主題之后時，其僅限定在該子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作為整體的所述權利要求之外。

當量、濃度、或者其它值或參數以范圍、優選范圍、或一系列上限優選值和下限優選值限定的范圍表示時，這應當被理解為具體公開了由任何范圍上限或優選值與任何范圍下限或優選值的任一配對所形成的所有范圍，而不論該范圍是否單獨公開了。例如，當公開了范圍“1～5”時，所描述的范圍應被解釋為包括范圍“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。當數值范圍在本文中被描述時，除非另外說明，否則該范圍意圖包括其端值和在該范圍內的所有整數和分數。

“質量份”指表示多個組分的質量比例關系的基本計量單位，1份可表示任意的單位質量，如可以表示為1g，也可表示2.689g等。假如我們說A組分的質量份為a份，B組分的質量份為b份，則表示A組分的質量和B組分的質量之比a：b。或者，表示A組分的質量為aK，B組分的質量為bK(K為任意數，表示倍數因子)。不可誤解的是，與質量分數不同的是，所有組分的質量份之和并不受限于100份之限制。

“和/或”用于表示所說明的情況的一者或兩者均可能發生，例如，A和/或B包括(A和B)和(A或B)；

此外，本發明要素或組分前的不定冠詞“一種”和“一個”對要素或組分的數量要求(即出現次數)無限制性。因此“一個”或“一種”應被解讀為包括一個或至少一個，井且單數形式的要素或組分也包括復數形式，除非所述數量明顯旨指單數形式。

本發明提供了一種用于染料敏化太陽能電池的準固態電解質，其包含三維網狀的電紡聚合物纖維膜，以及負載于所述電紡聚合物纖維膜上的離子液體電解質。

上述術語“電紡聚合物纖維膜”是指通過將聚合物纖維利用靜電紡絲所得到的纖維膜。此處，“靜電紡絲”是將聚合物溶液或熔體帶上幾千至上萬伏高壓靜電，帶電的聚合物液滴在電場力的作用下在毛細管的Taylor錐頂點被加速。當電場力足夠大時，聚合物液滴克服表面張力形成噴射細流。細流在噴射過程中溶劑蒸發或固化，最終落在接收裝置上，形成類似非織造布狀的纖維氈。

作為本發明的電紡聚合物纖維膜，其具有以下幾方面的作用：首先，由于電紡聚合物纖維膜具有三維網狀結構，其能提供較大的比表面積，不僅可以更有效地負載離子液體電解質，使離子液體電解質能夠牢固地吸附在電紡聚合物纖維膜上，降低了離子液體電解質的流動性，有效避免了在使用離子液體電解質的染料敏化太陽能電池中由于離子液體電解質的泄露而使工作電極和對電極之間相接觸引起的短路，提高了離子液體電解質的長期穩定性；而且使離子液體在三維網狀結構的電紡聚合物纖維膜上能夠分布更均勻。其次，電紡聚合物纖維膜的三維網狀結構極大的提升了制備的染料敏化太陽能電池的機械性能，同時三維網狀結構可為離子擴散提供有序的離子通道，有助于提高電解質的電導率和離子遷移率。

形成電紡聚合物纖維膜的聚合物材質可以列舉為聚偏氟乙烯(PVDF)、PTFE、PVA、CMC、NMP等具體實例，本發明中優選為PVDF。

本發明中的離子液體優選為1-丁基-3-甲基咪唑碘(BMII)。當然，離子液體也可以采用本領域其他常規的形式，例如離子液體還可列舉為1-丙基-3-甲基咪唑碘(PMII)或1,2-甲基-3-丙基咪唑碘(DMPII)等。

需要說明的是，離子液體電解質的負載形態可以是，其分布在電紡聚合物纖維膜的三維網狀結構的網孔中。這些網孔能提供很強的極性和庫侖場，而離子液體電解質表現出加大的極性，由此能夠被牢固地吸附在網孔內。通常，這些網孔的大小為分子級，稱為運輸離子液體的較好的通道。

作為本發明的電紡聚合物纖維膜的厚度較好地為40～80微米，例如40微米、45微米、50微米、60微米、70微米、75微米或80微米。

作為本發明的電紡聚合物纖維膜的孔隙率在40～80％，如40％、45％、50％、60％、70％、75％或80％等。此處，孔隙率是指塊狀或膜狀材料中孔隙體積與材料在自然狀態下總體積的百分比，孔隙率包括真孔隙率，閉孔隙率和先孔隙率。

本發明還提供了一種用于染料敏化太陽能電池的準固態電解質的制備方法，包括以下步驟：

提供一電紡聚合物纖維膜，該電紡聚合物纖維膜由聚合物溶液靜電紡絲而成；

以及，將所述電紡聚合物纖維膜浸漬在離子液體中。

在制備電紡聚合物纖維膜的過程中，聚合物溶液為PVDF溶解于由丙酮和N，N-二甲基甲酰胺所組成溶劑所形成的溶液。此處，丙酮和N，N-二甲基甲酰胺的體積比可以列舉為7：3。

上述聚合物溶液靜電紡絲時間為2～6h，如2h、3h、4h、5h或6h等。

上述離子液體電解質是指包含離子液體的電解質溶液。其除了包含離子液體之外，還可包含碘單質和添加劑。所述添加劑可列舉為N-甲基苯并咪唑或4-叔丁基吡啶等。所述碘單質的摩爾濃度為0.3～0.7mol/L，例如0.3mol/L、0.35mol/L、0.4mol/L、0.5mol/L、0.6mol/L、0.7mol/L等。

離子液體電解質中所包含的離子液體可以為咪唑鹽離子液體，如BMII離子液體。此處，BMII離子液體是指1-丁基-3-甲基咪唑碘鎓鹽。此處，1-丁基-3-甲基咪唑碘鎓鹽又名為碘化-1-丁基-3-甲基咪唑，其CAS號為65039-05-6，其分子結構式為

以上未述及之處適用于現有技術。

為了便于理解本發明，下面結合實施例來進一步說明本發明的技術方案。所屬技術領域的技術人員應該明了，對本發明的任何改進，對本發明產品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發明的保護范圍和公開范圍之內。

實施例1

一種用于染料敏化太陽能電池的準固態電解質的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、制備電紡PVDF纖維膜。將聚偏氟乙烯(PVDF)溶解在丙酮與N，N-二甲基甲酰胺(重量比7：3)的混合溶液中來制備PVDF聚合物溶液。將其在攪拌器中攪拌24小時而使其完全溶解，并且超聲處理30分鐘以形成聚合物溶液，將所形成的聚合物溶液引入靜電紡絲裝置中并且對所述聚合物溶液進行紡絲。控制紡絲時間2小時，制備40微米厚度的PVDF纖維膜。

步驟二、將制備好的40微米厚度的PVDF纖維膜浸泡在含碘的離子液體電解質(由0.3mol/L碘單質和BMII離子液體和添加劑組成)中，直至浸透完全，形成準固態電解質。

實施例2

一種用于染料敏化太陽能電池的準固態電解質的制備方法，包括以下步驟：

步驟二、將制備好的60微米厚度的PVDF纖維膜浸泡在含碘的離子液體電解質(由0.7mol/L碘單質和BMII離子液體和添加劑組成)中，直至浸透完全，形成準固態電解質。

實施例3

一種用于染料敏化太陽能電池的準固態電解質的制備方法，包括以下步驟：

步驟二、將制備好的80微米厚度的PVDF纖維膜浸泡在含碘的離子液體電解質(由0.5mol/L碘單質和BMII離子液體和添加劑組成)中，直至浸透完全，形成準固態電解質。

根據實施例1～3制備的準固態電解質組裝染料敏化太陽能電池裝置的光電特性的測量。電壓-電流密度在標準條件(AM1.5，100mW/cm2，25℃)下通過使用一個太陽能模擬器(PEC-L11，PECCELL)進行測量，其中該太陽能模擬器通過安裝150W的氙燈以及Keithley并且使用標準的硅電池進行校正。

請參閱圖1、圖2及圖3，實施例1所制備的準固態電解質的光電轉化效率為7.5％，開路電壓(Voc)為0.73V，短路電流密度(Jsc)為17.45mA.cm^-2，填充因子(FF)為54％。實施例2所制備的準固態電解質的光電轉化效率為7.6％，開路電壓(Voc)為0.72V，短路電流密度(Jsc)為16.80mA.cm^-2，填充因子(FF)為62％。實施例3所制備的準固態電解質的光電轉化效率為7.9％，開路電壓(Voc)為0.73V，短路電流密度(Jsc)為17.58mA.cm^-2，填充因子(FF)為62％。

由于本發明中所涉及的各工藝參數的數值范圍在上述實施例中不可能全部體現，但本領域的技術人員完全可以想象到只要落入上述該數值范圍內的任何數值均可實施本發明，當然也包括若干項數值范圍內具體值的任意組合。此處，出于篇幅的考慮，省略了給出某一項或多項數值范圍內具體值的實施例，此不應當視為本發明的技術方案的公開不充分。

申請人聲明，本發明通過上述實施例來說明本發明的詳細工藝設備和工藝流程，但本發明并不局限于上述詳細工藝設備和工藝流程，即不意味著本發明必須依賴上述詳細工藝設備和工藝流程才能實施。所屬技術領域的技術人員應該明了，對本發明的任何改進，對本發明產品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式選擇等，落在本發明的保護范圍內。

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