用于染料敏化太阳能电池的准固态电解质及其制备方法

摘要

本发明公开了一种用于染料敏化太阳能电池的准固态电解质，该准固态电解质采用的凝胶剂为由聚乙烯基吡啶碘盐与聚氧乙烯组成的复配物。此外，本发明还公开了该准固态电解质的制备方法。本发明公开的用于染料敏化太阳能电池的准固态电解质及其制备方法，该准固态电解质具有的凝胶剂导电能力强，可以强化准固态电解质的导电能力，达到阻止溶剂流动的同时提高染料敏化太阳能电池稳定性的目的，有利于染料敏化太阳能电池的生产与应用，并且该准固态电解质的制备方法的工艺条件方便易行，有利于大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

权利要求

1.一种用于染料敏化太阳能电池的准固态电解质的制备方法，其特征在于，包括步骤：（1）将极性有机溶剂放入到容器中；

（2）在容器中加入质量浓度为0.1~0.24g/mL的聚乙烯基吡啶碘盐、质量浓度为

0.16~0.3g/mL的聚氧乙烯、质量浓度为0.15g/mL的金属碘化物或咪唑衍生物碘盐、单质碘I2，并使金属碘化物或咪唑衍生物碘盐和单质碘I2的质量比在1.2~10之间；

（3）用20~70℃的温度进行加热或者在室温条件下进行超声震荡混合，使电解质凝胶化，最终形成准固态电解质。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述极性有机溶剂为甲醇、乙醇和N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或两种或三种。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚氧乙烯的分子量在100-5000000之间。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属碘化物为碘化锂LiI、碘化钠NaI和碘化钾KI中的任意一种或两种或三种。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述咪唑衍生物碘盐为1-甲基-3-乙基咪唑碘盐、1-甲基-3-丙基咪唑碘盐、1-甲基-3-丁基咪唑碘盐、1,2-甲基-3-丙基咪唑碘盐和1,2-甲基-3-丁基咪唑碘盐中的任意一种或两种或三种。

说明书

用于染料敏化太阳能电池的准固态电解质及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光电转化技术领域，特别是涉及一种用于染料敏化太阳能电池的准固态电解质及其制备方法。

背景技术

[0002] 早在1991年，瑞士洛桑高等工业学院的Grätzel教授成功研制了光电转换效率为7.1-7.9%的染料敏化太阳电池。与光伏硅电池相比，染料敏化太阳电池没有采用高纯无机半导体材料，具有生产工艺简单、制作成本低廉的优势。该染料敏化太阳电池采用了“三明治”夹心结构，从阳极到阴极依次为导电玻璃基板、吸附有机染料的纳晶多孔二氧化钛薄膜、电解质及对电极（具体为沉积有铂或炭黑的导电玻璃）。

[0003] 目前，用于染料敏化太阳能电池的电解质按照物理性质可以划分为液态电解质、准固态电解质和全固态电解质三类。其中，液态电解质虽然可以获得了较高的光电转化效率，但是存在溶剂挥发、漏液、电池不易封装等缺陷，严重影响了染料敏化太阳能电池的长期稳定使用。而以无机p型半导体材料、有机空穴传输材料所制备的全固态电解质虽无上述问题，但是，由于全固态电解质与对电极的接触性能较差，使得染料敏化太阳能电池的光电转换效率普遍较低，严重影响到染料敏化太阳能电池的整体性能。

[0004] 常见的制备准固态电解质的凝胶化材料包括酰胺类小分子凝胶剂、二氧化硅纳米粒子、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物及聚氧乙烯-丙烯酸共聚物等。这类材料通过对乙腈等有机溶剂或离子液体进行凝胶化处理形成网络结构，可以达到固化电解质、阻止溶剂和离子液体流动的目的，但是，现有的凝胶化材料均不具有导电能力，从而限制了采用准固态电解质的染料敏化太阳能电池光伏性能的提高。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于染料敏化太阳能电池的准固态电解质及其制备方法，该准固态电解质具有的凝胶剂导电能力强，可以强化准固态电解质的导电能力，达到阻止溶剂流动的同时提高染料敏化太阳能电池稳定性的目的，有利于染料敏化太阳能电池的生产与应用，并且该准固态电解质的制备方法的工艺条件方便易行，有利于大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

[0006] 为此，本发明提供了一种用于染料敏化太阳能电池的准固态电解质的制备方法，包括步骤：

[0007] （1）将极性有机溶剂放入到容器中；

[0008] （2）在容器中加入质量浓度为0.1~0.24g/mL的聚乙烯基吡啶碘盐、质量浓度为0.16~0.3g/mL的聚氧乙烯、质量浓度为0.15g/mL的金属碘化物或咪唑衍生物碘盐、单质碘I2，并使金属碘化物或咪唑衍生物碘盐和单质碘I2的质量比在1.2~10之间；

[0009] （3）用20~70℃的温度进行加热或者在室温条件下进行超声震荡混合，使电解质凝胶化，最终形成准固态电解质。

[0010] [0007] 其中，所述极性有机溶剂为甲醇、乙醇和N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或两种或三种。

[0011] 其中，所述聚氧乙烯的分子量在100-5000000之间。

[0012] 其中，所述金属碘化物为碘化锂LiI、碘化钠NaI和碘化钾KI中的任意一种或两种或三种。

[0013] 其中，所述咪唑衍生物碘盐为1-甲基-3-乙基咪唑碘盐、1-甲基-3-丙基咪唑碘盐、1-甲基-3-丁基咪唑碘盐、1,2-甲基-3-丙基咪唑碘盐和1,2-甲基-3-丁基咪唑碘盐中的任意一种或两种或三种。

[0014] [0011] 由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种用于染料敏化太阳能电池的准固态电解质及其制备方法，该准固态电解质具有的凝胶剂导电能力强，可以强化准固态电解质的导电能力，达到阻止溶剂流动的同时提高染料敏化太阳能电池稳定性的目的，有利于染料敏化太阳能电池的生产与应用，并且该准固态电解质的制备方法的工艺条件方便易行，有利于大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

[0015] 具体实施方式

[0016] [0012] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

[0017] 本发明提供了一种用于染料敏化太阳能电池的准固态电解质，该准固态电解质采用的凝胶剂为由聚乙烯基吡啶碘盐与聚氧乙烯组成的复配物，即为由聚乙烯基吡啶碘盐和聚氧乙烯两种聚合物的共混体系。

[0018] 在本发明中，所述聚乙烯基吡啶碘盐的组成结构表达式如下：

[0019] ；

[0020] 其中，R为C1-12的烷基。

[0021] 上述本发明的用于染料敏化太阳能电池的准固态电解质可以通过以下方法来制备：

[0022] （1）将极性有机溶剂放入到容器中；

[0023] （2）在容器中加入质量浓度为0.01~1.0g/mL的聚乙烯基吡啶碘盐、质量浓度为0.01~1.0g/mL的聚氧乙烯、质量浓度为0.001~0.05g/mL的碘盐（金属碘化物或咪唑衍生物碘盐）和单质碘I2，并使碘盐（金属碘化物或咪唑衍生物碘盐）和单质碘I2的质量比在
1.2~10之间；

[0024] （3）用20~70℃的温度进行加热或者在室温条件下进行超声震荡混合，使电解质凝胶化，最终形成准固态电解质。

[0025] 在本发明中，所述极性有机溶剂可以为甲醇、乙醇和N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或两种或三种（即1种或2种或3种均可）。

[0026] 在本发明中，所述聚氧乙烯的分子量在100-5000000之间。

[0027] 在本发明中，所述碘盐可以为金属碘化物或咪唑衍生物碘盐。

[0028] 在本发明中，具体实现上，所述金属碘化物可以为碘化锂LiI、碘化钠NaI和碘化钾KI中的任意一种或两种或三种（即1~3种）。所述咪唑衍生物碘盐可以为1-甲基-3-乙基咪唑碘盐、1-甲基-3-丙基咪唑碘盐、1-甲基-3-丁基咪唑碘盐、1,2-甲基-3-丙基咪唑碘盐和1,2-甲基-3-丁基咪唑碘盐中的任意一种或两种或三种。

[0029] 在本发明中，具体应用上，为了制备获得染料敏化太阳能电池，首先，将导电玻璃进行预处理，然后将纳米晶二氧化钛浆料涂覆于处理过的导电玻璃表面上；接着，将高温（具体为450~550℃的温度）烧结得到的二氧化钛薄膜加热至70~90℃的温度后浸入光敏染料中并吸附24-48小时，从而形成二氧电极化钛薄膜；最后，将上述本发明获得的准固态电解质涂覆于二氧化钛薄膜电极和镀铂的对电极之间，最终形成准固态的染料敏化太阳能电池。

[0030] 为了能够获知准固态的染料敏化太阳能电池的光伏性能，需要进行染料敏化太阳能电池的光伏性能测试。在具体应用上，染料敏化太阳能电池的光伏性能测试是通过在二氧化钛薄膜电极和对电极分别引出导线，连接到电池的光伏测试系统中，染料敏化太阳能电池的受光面积由通过孔面积为0.16的蒙板确定。用太阳光模拟器（型号为Oriel2
91160-1000 （300W））输出模拟的太阳光，并将光强度调节至100mW/cm，测得电池的电流密度-电压曲线。在本发明中，上述制备获得的准固态的染料敏化太阳能电池具有的光电转换效率为0.95%-4.53%，开路电压为533-666mV，短路电路密度为0.5982-15.95mAcm-2，填充因子为0.18-0.71。

[0031] 下面通过具体实施例来说明本发明的技术方案。

[0032] 实施例1

[0033] 准固态电解质的配制：以乙醇作为有机溶剂，加入质量浓度为0.2g/mL的聚（N-丙基-4-乙烯基吡啶）碘盐和质量浓度为0.2g/mL的分子量为300的聚氧乙烯、0.15g/mL的LiI和0.04g/mL的 I2，然后在室温条件下超声震荡混合，形成准固态电解质。

[0034] 在本实施例中，所述聚（N-丙基-4-乙烯基吡啶）碘盐的化学结构如下：

[0035] ；

[0036] 所述聚氧乙烯的化学结构为： ；

[0037] 染料敏化太阳能电池的制备：染料敏化太阳能电池光阳极的制备是首先将导电玻璃进行预处理，然后将纳米晶二氧化钛浆料涂覆于处理过的导电玻璃表面上。将高温（具体为450~550℃的温度）烧结得到的二氧化钛薄膜加热至80℃后浸入光敏染料中并吸附24小时，形成二氧电极化钛薄膜；最后，将准固态电解质涂覆于二氧化钛薄膜电极和镀铂的对电极之间，形成准固态染料敏化太阳能电池。

[0038] 染料敏化太阳能电池的光伏性能测试：电池的光伏性能测试是通过在二氧化钛薄膜电极和对电极分别引出导线，连接到电池的光伏测试系统中。电池的受光面积通过孔面积为0.16的蒙板确定。用太阳光模拟器（型号为Oriel 91160-1000 （300W））输出模拟太2
阳光，将光强度调节至100mW/cm，测得电池的电流密度-电压曲线。光电转换效率为4.5%，-2
开路电压为589mV，短路电路密度为12.97mAcm ，填充因子为0.59。

[0039] 实施例2

[0040] 准固态电解质的配制：以乙醇作为有机溶剂，加入质量浓度为0.2g/mL的聚（N-丙基-4-乙烯基吡啶）碘盐（同实施例1的结构）、质量浓度为0.2g/mL的分子量为1000的聚氧乙烯（同实施例1的结构）、0.15g/mL的LiI和0.04g/mL的I2，然后室温条件下超声震荡混合，形成准固态电解质。

[0041] 关于染料敏化太阳能电池的制备，本实施例2采用和实施例1一样的制备方法来制备染料敏化太阳能电池。

[0042] 关于染料敏化太阳能电池的光伏性能测试：本实施例2采用和实施例1一样的测试方法来进行染料敏化太阳能电池的光伏性能测试，所测得的电池的电流密度-电压曲线。光电转换效率为1.3%，开路电压为610mV，短路电路密度为9.902mAcm-2，填充因子为0.22。

[0043] 实施例3

[0044] 准固态电解质的配制：以乙醇作为有机溶剂，加入质量浓度为0.2g/mL的聚（N-丙基-4-乙烯基吡啶）碘盐（同实施例1的结构）、质量浓度为0.2g/mL的分子量为20000的聚氧乙烯（同实施例1的结构）、0.15g/mL的LiI和0.04g/mL的I2，然后在室温条件下超声震荡混合，形成准固态电解质。

[0045] 关于染料敏化太阳能电池的制备，本实施例3采用和实施例1一样的制备方法来制备染料敏化太阳能电池。

[0046] 关于染料敏化太阳能电池的光伏性能测试：本实施例3采用和实施例1一样的测试方法来进行染料敏化太阳能电池的光伏性能测试，所测得电池的电流密度-电压曲线。-2
光电转换效率为0.95%，开路电压为645mV，短路电路密度为7.908mAcm ，填充因子为0.19。

[0047] 实施例4

[0048] 准固态电解质的配制：以乙醇作为有机溶剂，加入质量浓度为0.2g/mL的聚（N-丙基-4-乙烯基吡啶）碘盐（同实施例1的结构）、质量浓度为0.2g/mL的分子量为1000000的聚氧乙烯（同实施例1的结构）、0.15g/mL的LiI和0.04g/mL的I2，然后在室温条件下超声震荡混合，形成准固态电解质。

[0049] 关于染料敏化太阳能电池的制备，本实施例4采用和实施例1一样的制备方法来制备染料敏化太阳能电池。

[0050] 关于染料敏化太阳能电池的光伏性能测试：本实施例4采用和实施例1一样的测试方法来进行染料敏化太阳能电池的光伏性能测试，所测得电池的电流密度-电压曲线。-2
光电转换效率为2.2%，开路电压为617mV，短路电路密度为7.308mAcm ，填充因子为0.49。

[0051] 实施例5

[0052] 准固态电解质的配制：以乙醇作为有机溶剂，加入质量浓度为0.2g/mL的聚（N-丁基-4-乙烯基吡啶）碘盐、质量浓度为0.2g/mL的分子量为1000000的聚氧乙烯（同实施例1的结构）、0.15g/mL的LiI和0.04g/mL的 I2，然后在室温条件下超声震荡混合，形成准固态电解质。

[0053] 在本实施例中，所述聚（N-丁基-4-乙烯基吡啶）碘盐的化学结构如下：

[0054] ；

[0055] 关于染料敏化太阳能电池的制备，本实施例5采用和实施例1一样的制备方法来制备染料敏化太阳能电池。

[0056] 关于染料敏化太阳能电池的光伏性能测试：本实施例5采用和实施例1一样的测试方法来进行染料敏化太阳能电池的光伏性能测试，所测得电池的电流密度-电压曲线。光电转换效率为1.3%，开路电压为602mV，短路电路密度为7.213mAcm-2，填充因子为0.31。

[0057] 实施例6

[0058] 准固态电解质的配制：以乙醇作为有机溶剂，加入质量浓度为0.2g/mL的聚（N-己基-4-乙烯基吡啶）碘盐、质量浓度为0.2g/mL的分子量为1000000的聚氧乙烯（同实施例1的结构）、0.15g/mL的LiI和0.04g/mL的 I2，然后在室温条件下超声震荡混合，形成准固态电解质。

[0059] 在本实施例中，所述聚（N-己基-4-乙烯基吡啶）碘盐的化学结构如下：

[0060] ；

[0061] 关于染料敏化太阳能电池的制备，本实施例6采用和实施例1一样的制备方法来制备染料敏化太阳能电池。

[0062] 关于染料敏化太阳能电池的光伏性能测试：本实施例6采用和实施例1一样的测试方法来进行染料敏化太阳能电池的光伏性能测试，所测得电池的电流密度-电压曲线。-2
光电转换效率为0.39%，开路电压为513mV，短路电路密度为1.213mAcm ，填充因子为0.62。

[0063] 实施例7

[0064] 准固态电解质的配制：以甲醇作为有机溶剂，加入质量浓度为0.2g/mL的聚（N-丙基-4-乙烯基吡啶）碘盐（同实施例1的结构）、质量浓度为0.2g/mL的分子量为1000000的聚氧乙烯（同实施例1的结构）、0.15g/mL的LiI和0.02g/mL的I2，然后在室温条件下超声震荡混合，形成准固态电解质。

[0065] 关于染料敏化太阳能电池的制备，本实施例7采用和实施例1一样的制备方法来制备染料敏化太阳能电池。

[0066] 关于染料敏化太阳能电池的光伏性能测试：本实施例7采用和实施例1一样的测试方法来进行染料敏化太阳能电池的光伏性能测试，所测得电池的电流密度-电压曲线。-2
光电转换效率为3.5%，开路电压为582mV，短路电路密度为15.95mAcm ，填充因子为0.38。

[0067] 实施例8

[0068] 准固态电解质的配制：以甲醇作为有机溶剂，加入质量浓度为0.2g/mL的聚（N-丙基-4-乙烯基吡啶）碘盐（同实施例1的结构）、质量浓度为0.2g/mL的分子量为1000000的聚氧乙烯（同实施例1的结构）、0.15g/mL的LiI和0.06g/mL的I2，然后在室温条件下超声震荡混合，形成准固态电解质。

[0069] 关于染料敏化太阳能电池的制备，本实施例8采用和实施例1一样的制备方法来制备染料敏化太阳能电池。

[0070] 关于染料敏化太阳能电池的光伏性能测试：本实施例8采用和实施例1一样的测试方法来进行染料敏化太阳能电池的光伏性能测试，所测得电池的电流密度-电压曲线。-2
光电转换效率为3.2%，开路电压为575mV，短路电路密度为7.896mAcm ，填充因子为0.71。

[0071] 实施例9

[0072] 准固态电解质的配制：以甲醇作为有机溶剂，加入质量浓度为0.2g/mL的聚（N-丙基-4-乙烯基吡啶）碘盐（同实施例1的结构）、质量浓度为0.2g/mL的分子量为1000000的聚氧乙烯（同实施例1的结构）、0.15g/mL的LiI和0.12g/mL的I2，然后在室温条件下超声震荡混合，形成准固态电解质。

[0073] 关于染料敏化太阳能电池的制备，本实施例9采用和实施例1一样的制备方法来制备染料敏化太阳能电池。

[0074] 关于染料敏化太阳能电池的光伏性能测试：本实施例9采用和实施例1一样的测试方法来进行染料敏化太阳能电池的光伏性能测试，所测得电池的电流密度-电压曲线。-2
光电转换效率为0.18%，开路电压为456mV，短路电路密度为0.598mAcm ，填充因子为0.66。

[0075] 实施例10

[0076] 准固态电解质的配制：以甲醇作为有机溶剂，加入质量浓度为0.2g/mL的聚（N-丙基-4-乙烯基吡啶）碘盐（同实施例1的结构）、质量浓度为0.2g/mL的分子量为1000000的聚氧乙烯（同实施例1的结构）、0.15g/mL的LiI和0.12g/mL的I2，然后在室温条件下超声震荡混合，形成准固态电解质。

[0077] 关于染料敏化太阳能电池的制备，本实施例10采用和实施例1一样的制备方法来制备染料敏化太阳能电池。

[0078] 关于染料敏化太阳能电池的光伏性能测试：本实施例10采用和实施例1一样的测试方法来进行染料敏化太阳能电池的光伏性能测试，所测得电池的电流密度-电压曲线。-2
光电转换效率为0.18%，开路电压为456mV，短路电路密度为0.598mAcm ，填充因子为0.66。

[0079] 实施例11

[0080] 准固态电解质的配制：以甲醇作为有机溶剂，加入质量浓度为0.24g/mL的聚（N-丙基-4-乙烯基吡啶）碘盐（同实施例1的结构）和质量浓度为0.16g/mL的分子量为1000000的聚氧乙烯（同实施例1的结构）、0.15g/mL的LiI和0.04g/mL的I2，然后在室温条件下超声震荡混合，形成准固态电解质。

[0081] 关于染料敏化太阳能电池的制备，本实施例11采用和实施例1一样的制备方法来制备染料敏化太阳能电池。

[0082] 关于染料敏化太阳能电池的光伏性能测试：本实施例11采用和实施例1一样的测试方法来进行染料敏化太阳能电池的光伏性能测试，所测得电池的电流密度-电压曲线。-2
光电转换效率为3.35%，开路电压为631mV，短路电路密度为14.63mAcm ，填充因子为0.36。

[0083] 实施例12

[0084] 准固态电解质的配制：以甲醇作为有机溶剂，加入质量浓度为0.1g/mL的聚（N-丙基-4-乙烯基吡啶）碘盐（同实施例1的结构）、质量浓度为0.3g/mL的分子量为1000000的聚氧乙烯（同实施例1的结构）、0.15g/mL的LiI和0.04g/mL的I2，然后在室温条件下超声震荡混合，形成准固态电解质。

[0085] 关于染料敏化太阳能电池的制备，本实施例12采用和实施例1一样的制备方法来制备染料敏化太阳能电池。

[0086] 关于染料敏化太阳能电池的光伏性能测试：本实施例12采用和实施例1一样的测试方法来进行染料敏化太阳能电池的光伏性能测试，所测得电池的电流密度-电压曲线。-2
光电转换效率为3.68%，开路电压为554mV，短路电路密度为12.70mAcm ，填充因子为0.52。

[0087] 对于本发明，本发明提出了将聚乙烯基吡啶碘盐与聚氧乙烯进行复配，制备用于染料敏化太阳能电池的准固态电解质。鉴于聚乙烯基吡啶碘盐具有较强的导电能力并具有