专利名称：包含多孔薄膜的固体电解质的制备方法和使用其的染料敏化太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及染料敏化太阳能电池。更具体地，本发明涉及用来改善太阳能电池的长期耐久性的聚合物薄膜电解质的制备方法，和包含通过该方法所制备的电解质的染料敏化太阳能电池。
背景技术：
近来，由于全球变暖变得更成问题，使用环境友好能源的技术已吸引众多的关注。一个有吸引力的领域，具体为使用新的可再生能源的太阳能电池。该太阳能电池的例子包括硅基太阳能电池、使用无机物质例如铜铟镓硒(Cu(InGa)Se2, CIGS)的薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、有机-无机混合太阳能电池等。其中，价廉且具有商业级能量效率的染料敏化太阳能电池在便携式电子设备领域以及在光伏建筑一体化(BIPV)领域中已引起注意。与其它太阳能电池不同，染料敏化太阳能电池设置有吸收可见光并通过光电转换机制产生电的太阳能电池系统。通常，染料敏化太阳能电池使用液体电解质或凝胶聚合物电解质。该液体电解质或凝胶聚合物电解质可能因太阳能电池基板的损坏而泄漏，其可能使其可销性/成本效率降低，并且由于电解质的毒性还可能损害消费者的健康。由于这些原因，近来已经积极地推行固体电解质的开发。通常，固体电解质使溶剂在染料敏化太阳能电池的光电极(TiO2)的表面上完全变干。在这种情况下，电流密度非常低，因此不能指望太阳能电池的效率。已经知晓通过电纺来控制多孔结构的技术，但其需要高初始投资，而且可获得的聚合物材料的类型有限。上述在该背景技术部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成在该国本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供用于染料敏化太阳能电池的多孔聚合物固体电解质，使用其代替液体电解质以防止在液体染料敏化太阳能电池中出现的泄漏和长期耐久性不足。具体地，本发明提供用于染料敏化太阳能电池的固体电解质和使用其的染料敏化太阳能电池，所述固体电解质包括由亲水聚合物材料制成的三维多孔薄膜。更具体地，本发明提供高效染料敏化太阳能电池，其中在固体电解质层中使用具有高比表面积的聚合物纳米纤维以有效地促使光电流增加，从而提高浸溃的电解质的量。即，本发明提供用于染料敏化太阳能电池的固体电解质和使用其的染料敏化太阳能电池，所述固体电解质包括由亲水聚合物材料制成的三维多孔薄膜以形成固体电解质层。—方面，本发明提供制备固体电解质的方法，所述固体电解质包括由亲水聚合物材料制成的多孔聚合物膜。更具体地，(i)通过在亲水溶剂中溶解亲水聚合物来形成膜。另外，(ii)通过将所形成的膜溶解于另一亲水溶剂中溶解来形成孔，所述另一亲水溶剂不溶解步骤(i)的亲水聚合物，从而使得仅步骤(i)的亲水溶剂溶解。另一方面，本发明提供通过制备固体电解质的方法所制备的染料敏化太阳能电池用固体电解质。又一方面，本发明提供染料敏化太阳能电池，其包括通过制备固体电解质的方法所制备的固体电解质。本发明的上述和其它特征在下文讨论。
现在将参考本发明的附图所图示的某些示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它特征，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，其中:图1是根据本发明的示例性实施方式的使用含有多孔膜的电解质所制造的染料敏化太阳能电池的横截面视图；且图2显示根据本发明的示例性实施方式的固体电解质膜的多孔结构的图像。附图中提到的附图标记包括对以下元件的参考，其在下面进一步讨论:101:第一基板102:密封剂103:无机氧化层104:固体电解质层105:对电极层106:第二基板应当理解，所附的附图并非必然是按比例的，其呈现了说明本发明基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的表示。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。
具体实施例方式下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例图示在所附附图中，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。根据一方面，本发明提供制备固体电解质的方法，所述固体电解质包括由亲水聚合物材料制成的多孔聚合物膜，该包法包括以下步骤:
(i)通过在亲水溶剂中溶解亲水聚合物来形成膜；和(ii)通过将所形成的膜溶于另一亲水溶剂中来形成孔，所述另一亲水溶剂不溶解步骤(i)的亲水聚合物，从而使得仅步骤(i)的亲水溶剂被溶解；本发明防止在液体染料敏化太阳能电池中出现的泄漏和长期耐久性不足。在常规的液体染料敏化太阳能电池中，电解质溶解于溶剂中，因此液体可能通过密封材料中的间隙泄漏或可能因基板的损坏而流出，从而降低装置的耐久性也影响装置的可销性。本发明使用多孔聚合物固体电解质代替液体电解质解决上述问题。根据本发明，在亲水溶剂中溶解亲水聚合物以形成多孔薄膜结构，其增加浸溃的电解质的量。于是，当溶解有亲水聚合物的亲水溶剂与另一亲水溶剂接触时，在步骤(i)中溶解的亲水聚合物不与步骤(ii)的溶剂溶剂化，而是作为固相沉淀，由此，由于亲水聚合物与现有溶剂之间的亲水作用而在聚合物基质中引起多孔。因此，与常规技术中使用的现有电纺技术相比，可以容易地控制多孔结构并由此控制浸溃的电解质的量。本发明的示例说明的实施方式的亲水聚合物对电解质中的离子具有优异的附着力，其导致浸溃量的增加，从而有助于提高太阳能电池效率。根据本发明的示例性实施方式，本发明中使用的聚合物可优选地包括选自醋酸纤维素、醋酸丁酸纤维素、醋酸邻苯二甲酸纤维素、醋酸丙酸纤维素、2-羟基乙基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟丁基甲基纤维素、聚乙二醇、和聚丙二醇的至少一种。此外，步骤(i)中使用的亲水溶剂可包括选自乙醇、甲醇、丙醇、和蒸馏水的至少一种。而且步骤(ii)中使用的亲水溶剂可包括乙腈、丙腈、甲氧基丙腈、或戊二腈。根据本发明的示例性实施方式，亲水聚合物的含量相对于100重量份的亲水溶剂可优选为0.1至5份。如果亲水聚合物的含量小于0.1重量份，则难以形成膜，然而，如果其超过5重量份，则难以控制厚度，由此使得难以制造聚合物电解质膜。优选地，聚合物可具有1，000至20，000的重均分子量。如果聚合物的重均分子量小于1，000，很难形成膜，然而，如果其超过20，000，那么聚合物在亲水溶剂中不容易溶解。根据本发明的示例性实施方式,通过流延工艺(doctor bladeprocess)使用在步骤(i)中溶解亲水聚合物的溶液来形成膜。根据本发明的示例性实施方式，聚合物膜可具有0.1至10 μ m的孔径和I至50 μ m
的厚度。根据另一方面，本发明提供通过上述方法制备的染料敏化太阳能电池用固体电解质，其中该染料敏化太阳能电池包括该固体电解质。根据本发明的染料敏化太阳能电池防止因使用液体电解质引起的泄漏和因使用密封剂引起的长期耐久性不足，并使制造过程简化，从而提高生产力。根据本发明的示例性实施方式的染料敏化太阳能电池制造方法将在下面描述。以下实施例仅用于示例说明本发明，而无意于限制本发明的范围。实施例1:多孔聚合物膜的制造为制备聚合物溶液，将5wt%的甲基纤维素和95wt%的蒸馏水混合并搅拌24小时。使用刮刀使用制备的溶液形成膜。将形成的膜浸入乙腈溶剂，使得纤维素作为固体膜保留，溶液中所含的蒸馏水溶解于乙腈，并且在蒸馏水被取代的位置形成孔。
实施例2:使用包括多孔聚合物膜的固体电解质制造电池使用丝网印刷装置在涂覆有氟掺杂氧化锡(FTO)的玻璃基板上涂覆用于丝网印刷的二氧化钛糊料(Solaronix)。在300°C加热I小时之后，在500°C烧制基板3小时，由此形成电极。在室温将染料(N3，Solaronix)在形成的电极上吸附24小时。将多孔膜浸入电解质(AN 50, Solaronix)中12小时。然后，将干燥的多孔膜放置在吸附染料的工作电极(TiO2，涂层)上，并且使用Surlyn(Dupont)在120°C将钼对电极与该电极连接。比较例1:无孔聚合物膜的制造为制备聚合物溶液，将89.9wt%的聚丙二醇单丙烯酸酯、IOwt %的聚丙二醇二丙烯酸酯、和0.lwt%的光交联引发剂混合并搅拌24小时。将所得的溶液稀薄地涂覆在玻璃基板上，从而通过紫外线照射(1，OOOmJ)形成膜。比较例2:使用包括无孔聚合物膜的固体电解质制造电池使用丝网印刷装置在涂覆有氟掺杂氧化锡(FTO)的玻璃基板上涂覆用于丝网印刷的二氧化钛糊料(Solaronix)。在300°C加热I小时之后，在500°C烧制基板3小时，由此形成电极。在室温使染料(N3，Solaronix)在形成的电极上吸附24小时。将无孔膜浸入电解质(AN 50, Solaronix)中12小时。然后，将所得的多孔膜放置在吸附染料的电极(TiO2,涂层)上，并且使用Surlyn(Dupont)在120°C将钼对电极与该电极连接。由实施例2和比较例2中制造的染料敏化太阳能电池所测的电化学性质显示在下表I中，包括电流密度(Jsc)、电压(Voc)、填充因子(FF)、和能量转化效率(％ )。[表 I]
权利要求
1.一种制备固体电解质的方法，所述固体电解质包括由亲水聚合物材料制成的多孔聚合物膜，所述方法包括以下步骤: (i)通过在亲水溶剂中溶解亲水聚合物来形成膜；和 ( )通过将形成的膜溶于另一亲水溶剂中来形成孔，所述另一亲水溶剂不溶解步骤(i)的亲水聚合物，使得仅步骤(i)的亲水溶剂溶解。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述聚合物包括选自醋酸纤维素、醋酸丁酸纤维素、醋酸邻苯二甲酸纤维素、醋酸丙酸纤维素、2-羟基乙基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟丁基甲基纤维素、聚乙二醇、和聚丙二醇的至少一种。
3.如权利要求1所述的方法，其中步骤(i)中使用的亲水溶剂包括选自乙醇、甲醇、丙醇、和蒸馏水的至少一种。
4.如权利要求1所述的方法，其中步骤(ii)中使用的亲水溶剂包括乙腈、丙腈、甲氧基丙腈、或戊二腈。
5.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(i)中使用的亲水聚合物的含量相对于100重量份的所述亲水溶剂为0.1至5重量份。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述聚合物具有1，000至20，000的重均分子量。
7.如权利要求1所述的方法，其中步骤(i)包括用于在步骤(i)中溶解有所述亲水聚合物的溶液的流延工艺。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述聚合物膜具有0.1至10 μ m的孔径。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述聚合物膜具有I至50μ m的厚度。
10.一种染料敏化太阳能电池用固体电解质，其通过权利要求1所述的方法制备。
11.一种多孔电解质膜染料敏化太阳能电池，其包括权利要求10所述的固体电解质。
全文摘要
本发明公开的是一种用于染料敏化太阳能电池的固体电解质，和使用其的染料敏化太阳能电池，所述固体电解质包括由亲水聚合物材料制成的三维多孔薄膜。更具体地，本发明提供高效染料敏化太阳能电池，其中在电解质层中使用具有高比表面积的聚合物纳米纤维以有效地促使光电流提高，从而增加浸渍的电解质的量。当通过本发明的方法制备的多孔膜被用作染料敏化太阳能电池用固体电解质时，与现有的使用液体电解质的染料敏化太阳能电池相比，不需要形成电解质入口并密封该入口的工艺，其使整个过程简化。
文档编号H01L51/44GK103107018SQ20121004640
公开日2013年5月15日 申请日期2012年2月24日 优先权日2011年11月15日
发明者张容准, 金相学, 金元中, 金容九, 宋美莲, 宋仁雨, 李芝容, 李起春 申请人:现代自动车株式会社