专利名称：单阴离子传导聚合物固态电解质及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
单阴离子传导聚合物固态电解质及其制备方法和应用，属于电解质技术领域，具体涉及一种单阴离子传导聚合物固态电解质及其制备方法，以及该固态电解质在染料敏化太阳能电池中的应用。
背景技术：
染料敏化太阳能电池由于光电转换效率高、制作简单、材料成本低廉、稳定性好而备受关注。目前高效率的染料敏化太阳能电池都是采用含有乙腈、3-甲氧基丙腈等易挥发性有机溶剂的液态电解质。有机溶剂的易挥发与泄露等问题严重限制了基于液态电解质的染料敏化太阳能电池的工业生产和实际应用。用凝胶电解质代替液态电解质虽然可在一定程度上解决电解质的密封问题，但凝胶电解质仍含有液态成份，特别是在温度较高时，仍存在电解质泄漏的问题。采用不含任何液态成份的固态电解质代替液态电解质制备染料敏化太阳能电池可以彻底解决电池电解质密封的问题。但目前报道的不含任何液态成份的染料敏化太阳能电池固态电解质由于电导率低、与电极界面接触性能差等缺点，导致组装的固态染料敏化太阳能电池的光电转换效率较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种稳定性好，电导率高，易密封，与电极界面接触良好且不含任何液态成份的单阴离子传导聚合物固态电解质； 同时提供该固态电解质的制备工艺。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是该单阴离子传导聚合物固态电解质，其特征在于由聚合物A、碘单质和无机纳米粒子，按重量比1 0 0.2 0 0.5组成，聚合物A的化学式为
r+/=/=Ur
一 —N^ N-(CH2)- N ^ N-(CH2)5r -其中，1 = 5 500的自然数。优选的，由聚合物Α、碘单质和无机纳米粒子，按重量比1 0. 05 0. 15 0. 1 0.4组成。其中，所述聚合物A由烷基二咪唑B和二碘代烷C按摩尔比1 1.2 1.2 1
混合，在温度60 100°C下聚合反应生成，烷基二咪唑B和二碘代烷C的化学式分别为 /=\ f=\B =N^N-(CH2)5rNn^N C =I-(CH2)^ I 其中，η = 3 7，m = 1、3 6 的自然数。所述无机纳米粒子为Si02、TiO2中的一种或两种任意比例的混合物，纳米粒子的粒径为为10 300nm。上述单阴离子传导聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤
1)将烷基二咪唑B和二碘代烷C按上述摩尔比混合，再按比例加入碘单质和/或无机纳米粒子形成固态电解质前趋体；2)将上述固态电解质前趋体升温到60 100°C，烷基二咪唑B与二碘代烷C发生聚合反应生成聚合物A使电解质固化，即得。该单阴离子传导聚合物固态电解质主要应用于染料敏化太阳能电池中，作为染料敏化太阳能电池中的电解质，可有效避免传统染料敏化太阳能电池液态电解质的泄露问题，改善电解质/电极的界面接触。本发明的单阴离子传导聚合物固态电解质体系，通过调控电解质中碘和无机纳米粒子的加入量、烷基二咪唑B和二碘代烷C的分子结构、固化反应过程的反应温度和反应时间，可以调控电解质的组成及聚集状态，可形成离子扩散与电荷交换的双重电导机制，这大大提高了所制备电解质的电导率；电解质的反应固化过程可在电极表面原位进行，这可改善电解质与电极的界面接触，同时易实现电池的连续化生产。与现有技术相比，本发明单阴离子传导聚合物固态电解质所具有的有益效果是 1、制备工艺简单，电解质中不含任何液态成份，能彻底解决了液态电解质面对工业化生产、 实际应用中出现的易泄漏、不易密封的问题；2、电解质的固化过程可以在电极表面原位进行，可大大改善电解质与电极的界面接触；3、电解质中阳离子被固定在电解质中聚合物主链上，只有阴离子r和I3-可以传导，结合无机纳米复合可在电解质体系中形成离子扩散和电荷交换的双重电导机制，使电解质有较高的电导性。4、本发明制备的单阴离子聚合物固态电解质应用于染料敏化太阳能电池中的光电转换效率达到5. 5%以上，而且电解质固化与电池组装可同步在线完成，适合于大规模自动化生产过程。
图1为实施例14制备的单阴离子聚合物全固态电解质染料敏化太阳能电池中电解质对二氧化钛电极的浸润情况，图Ia为加入电解质前；图Ib为加入电解质后。图2为实施例14中制备的单阴离子聚合物全固态电解质组装的染料敏化太阳能电池的I-V特性曲线。下面结合附图1 2对本发明做进一步说明，其中实施例14为最佳实施例
具体实施例方式下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；下述烷基二咪唑合成方法参见文献(S. K. Sharma, M. Tandon, J. W. Lown, J. Org. Chem, 2000,65 :1102)，其他所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。本发明中染料敏化二氧化钛工作电极的制备方法首先对导电玻璃进行预清洁处理，然后将含有3wt%聚苯乙烯粒子(粒径为40nm) 的二氧化钛浆料涂敷在处理好的导电玻璃上，室温晾干后，在450°C下处理30分钟，然后浸入N3染料的乙醇溶液中，保持12小时后，用无水乙醇冲洗，即得染料敏化二氧化钛工作电极。本发明中染料敏化太阳能电池对电极的制备方法将浓度为0. 007M浓度的H2PtCl6的异丙醇溶液喷涂到预热到60°C的导电玻璃上，溶剂挥发后，将其加热390°C，15分钟后取出，得电池对电极。实施例1将0. Olmol (1. 96g)N, N'-戊基二咪唑与 0. Olmol (3. 02g) 1,4- 二碘丁烷混合均勻(N，N'-戊基二咪唑与1，4_ 二碘丁烷摩尔比为1 1)，形成固态电解质前趋体。在温度90°C下N，N'-戊基二咪唑与1，4_ 二碘丁烷发生聚合反应生成聚合物Al，使电解质前趋体固化，得到单阴离子传导聚合物固态电解质，聚合物Al的结构为
权利要求
1.一种单阴离子传导聚合物固态电解质，其特征在于由聚合物A、碘单质和无机纳米粒子，按重量比1 0 0.2 0 0.5组成，聚合物A的化学式为一 _N^N-(CH2)- N^N+-(CH2)5r -其中，1 = 5 500的自然数。
2.根据权利要求1所述的单阴离子传导聚合物固态电解质，其特征在于由聚合物A、 碘单质和无机纳米粒子，按重量比1 0.05 0.15 0.1 0.4组成。
3.根据权利要求1所述的单阴离子传导聚合物固态电解质，其特征在于所述聚合物A 由烷基二咪唑B和二碘代烷C按摩尔比1 1.2 1.2 1混合，在温度60 100°C聚合反应生成，烷基二咪唑B和二碘代烷C的化学式分别为 /=\ f=\B =N^N-(CH2)5rN^N C =I-(CH2)^I 其中，η = 3 7，m = 1、3 6 的自然数。
4.根据权利要求1所述的单阴离子传导聚合物固态电解质，其特征在于所述无机纳米粒子是Si02、Ti&中的一种或两种任意比例的混合物，纳米粒子的粒径为10 300nm。
5.根据权利要求1 4任一项所述的单阴离子传导聚合物固态电解质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤5. 1将烷基二咪唑B和二碘代烷C按摩尔比1. 2 1 1 1. 2混合，加入碘单质和/ 或无机纳米粒子形成固态电解质前趋体；5.2将上述固态电解质前趋体升温到60 100°C，烷基二咪唑B与二碘代烷C发生聚合反应生成聚合物A使电解质固化，即得。
6.根据权利要求1 4任一项所述的单阴离子传导聚合物固态电解质在染料敏化太阳能电池中作为电解质的应用。
全文摘要
本发明涉及一种单阴离子传导聚合物固态电解质及其制备方法，以及该固态电解质在染料敏化太阳能电池中的应用，属于电解质技术领域。其特征在于由聚合物A、碘单质和无机纳米粒子，按重量比1∶0～0.2∶0～0.5组成。该固态电解质制备工艺简单，电解质中不含任何液态成份，能彻底解决了液态电解质面对工业化生产、实际应用中出现的易泄漏、不易密封的问题，同时能改善固态电解质的界面扩散渗透和界面接触。该固态电解质的单阴离子传导性质可以消除阳离子的不利影响，有效提高电解质中氧化还原对的传输速率。应用于染料敏化太阳能电池中的光电转换效率达到5.5％以上，电解质固化与电池组装可同步在线完成，适合于大规模自动化生产过程。
文档编号H01G9/028GK102522204SQ20121000609
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者王桂强, 禚淑萍 申请人:山东理工大学