专利名称：染料敏化钠米晶太阳能电池准固态电解质及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能电池准固态电解质的制备方法，本发明还涉及该准固态电解质的制备方法和在太阳能电池制备中的应用。
背景技术：
染料敏化纳米晶太阳能电池以其简单的制作工艺，低廉的成本，较高的光电转化效率，得到世界各国的广泛关注。虽然基于液态电解质的染料敏化纳米晶太阳能电池取得了较高的光电转换效率，但是液态电解质易泄露、挥发，致使组装而成的电池密封困难，且在长期实际应用中性能下降，使用寿命缩短。经大量实际研究可知为了解决液体电解质存在的问题，可以用固体电解质替代液体电解质或采用凝胶电解质，从而发展固态或准固态太阳电池。以高分子聚合物为基体的准固态电解质在材料的选择、设计及合成上具有灵活性，并且制备工艺相对比较简单，其组装而成的染料敏化纳米晶太阳能电池可获得较高的光电转换效率。但是聚合物电解质离子电导率低、离子扩散系数小以及与工作电极间接触性差，致使采用聚合物电解质的染料敏化纳米晶太阳能电池的光电转换效率低于基于液态电解质的染料敏化纳米晶太阳能电池。聚合物电解质的低离子电导率使得电池的短路电流降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种能提高聚合物电解质离子电导率的染料敏化纳米晶太阳能电池准固态电解质。本发明所要解决的又一个技术问题是提供一种能提高聚合物电解质离子电导率的染料敏化纳米晶太阳能电池准固态电解质的制备方法。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种染料敏化纳米晶太阳能电池准固态电解质，其特征在于包括如下组分聚氧乙烯和聚四氟乙烯偏六氟丙烯混合物、二氧化硅纳米粒子、摩尔比为1 7 1 10的I2/KI氧化还原电对、双(三氟甲基磺酰亚胺) 锂及有机溶剂Α，其中，聚氧乙烯和聚四氟乙烯偏六氟丙烯总质量为有机溶剂A质量的2 % 10 %， 聚氧乙烯和聚四氟乙烯偏六氟丙烯质量比为1 4 4 1 ；二氧化硅纳米粒子的质量为聚氧乙烯和聚四氟乙烯偏六氟丙烯总质量的10 30% ；Ι2/ΚΙ氧化还原电对中的K与聚氧乙烯中的0满足Κ/0摩尔比为0. 6 0. 8 ；有机溶剂A由碳酸丙烯酯和乙二醇二甲醚组成， 并且碳酸丙烯酯与乙二醇二甲醚的体积比为1 8 8 1，双(三氟甲基磺酰亚胺)锂的质量为聚氧乙烯和聚四氟乙烯偏六氟丙烯总质量的3% 15%。一种染料敏化纳米晶太阳能电池准固态电解质的制备方法，其特征在于包括如下步骤
①按质量比为1 4 4 1称取聚氧乙烯PEO和聚四氟乙烯偏六氟丙烯 P(VDF-HFP)溶于混合溶剂A中，PEO和P(VDF-HFP)高分子总质量为有机溶剂质量的2 0Z0 10%，并在60 100°C下水浴加热使其溶解，二氧化硅纳米粒子用无水乙醇溶解并加入到混合物中，SW2纳米粒子无水乙醇溶液按照如下比例配比0. 002g/ml 0. lg/ml，二氧化硅纳米粒子作为高分子固体增塑剂，二氧化硅纳米粒子的质量为PEO和P (VDF-HFP)高分子总质量的10 30 %，继续加热搅拌使其混合均勻，得到高分子/纳米粒子混合液。混合溶剂 A由碳酸丙烯酯PC和乙二醇二甲醚DME组成，并且PC和DME的体积比为1 8 8 1 ；②向步骤①所得的高分子纳米粒子混合液中分别加入摩尔比为1 7 1 10 的12/κ 氧化还原电对，常温下搅拌4 8小时至混合均勻，并且，Ι2/ΚΙ氧化还原电对中的 K与聚氧乙烯中的0满足Κ/0摩尔比为0. 6 0. 8 ；③在不断搅拌的同时，向步骤②得到的准固态电解质中加入双(三氟甲基磺酰亚胺)锂，持续搅拌至混合均勻，双(三氟甲基磺酰亚胺)锂的质量为聚氧乙烯和聚四氟乙烯偏六氟丙烯总质量的3% 15%。一种染料敏化纳米晶太阳能电池的制备方法在染料敏化纳米晶膜表面滴加准固态电解质，于60 100°C烘箱中将电解质烘至凝胶状，盖上钼对电极并用夹子把电池固定， 继续烘烤至电极之间牢固结合，即可组装成染料敏化纳米晶太阳能电池。与现有技术相比，本发明的优点在于在三氟甲基磺酰亚胺阴离子中，由于具有孤对电子的N上连有两个具有强拉电子基团的三氟甲基磺酰基，使得阴离子上的负电荷充分离域，因此TFSI阴离子同有机高分子材料具有良好的相容性。LiTFSI加入聚合物电解质后，由于降低了聚合物的玻璃化转变温度，因此有效地抑制聚合物的再结晶过程，增加了体系中无定形相的比例，从而提高了高分子链段的活动能力，进而有利于离子运动，最终提高了准固态电解质的离子电导率。试验表明经过LiTFSI改性的准固态电解质染料敏化纳米晶太阳能电池短路电流和光电转换效率有较大提高。
具体实施例方式以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。实施例1 :0.05g增塑盐-双(三氟甲基磺酰亚胺)锂(LiTFSI)加入到PEO/ P(VDF-HFP)/纳米SiO2复合体系。(I2/KI氧化还原电对摩尔比12 KI = 1 7)按质量比为2 3称取0. 2g的PEO/P (VDF-HFP)在80°C混合于6g体积比为7 3 的PC和DME的有机溶剂中，持续搅拌至溶解完全，然后加入0. 02g SiO2纳米颗粒和无水乙醇，SiO2纳米粒子无水乙醇溶液按照如下比例配比0. 002g/ml 0. lg/ml，继续加热搅拌使其混合均勻。二氧化硅纳米粒子作为高分子的固体增塑剂。二氧化硅纳米粒子用无水乙醇溶解并加入到混合物中。向混合溶液中加入I2/KI氧化还原电对，摩尔比为I2 KI = 1 7，Ι2/ΚΙ氧化还原电对中的K与聚氧乙烯中的0满足Κ/0摩尔比为0. 6。常温下搅拌4 8小时至共混均勻。在搅拌的同时向准固态电解质中加入0. 05g增塑盐LiTFSI，持续搅拌12 M小时。加入过程中因为高分子易于凝聚，所以不易太快。0.05g LiTFSI改性后测得准固态电解质离子电导率为0. 736mS. cnT1，将经过0. 05g增塑盐改性的准固态电解质体系滴加到染料敏化纳米晶膜上，水平放置到烘箱中在70°C的环境下持续烘烤0. 5 1. 5小时，盖上钼对电极，继续烘烤至电极间牢固结合。在室温环境，使用氙灯模拟太阳光，光强为96. 2mff. cm_2 (光强使用硅光电二极管标定)条件下，测得0.05g增塑盐LiTFSI改性的准固态电解质(氧化还原电对摩尔比 I2 KI = 1 7)染料敏化纳米晶太阳能电池(有效光照面积为0. 16cm2)的短路电流为 11. 9mA. cm-2,比未经增塑盐改性的准固态电解质太阳能电池短路电流(10. 3mA. cm—2)提高了 1. 6mA. cm-2 ；其光电转换效率为5. 03%,比未经增塑盐改性的准固态电解质太阳能电池效率(4.51% )提高了约12%。实施例2 0. 05g增塑盐LiTFSI加入到PEO/P (VDF-HFP) /纳米SW2复合体系。(I2/ KI氧化还原电对摩尔比12 KI = 1 10)按质量比为2 3称取0. 2g的PEO/P (VDF-HFP)在80°C混合于6g体积比为7 3 的PC和DME的有机溶剂中，持续搅拌至溶解完全，然后加入0.02g SiO2和无水乙醇，继续加热搅拌使其混合均勻。向混合溶液中加入I2/KI氧化还原电对，摩尔比为12 KI = 1 10，Ι2/ΚΙ氧化还原电对中的K与聚氧乙烯中的0满足Κ/0摩尔比为0. 8。常温下搅拌4 8小时至共混均勻。在搅拌的同时向准固态电解质中加入0. 05g增塑盐LiTFSI，持续搅拌12 M小时。加入过程中因为高分子易于凝聚，所以不易太快。0. 05gLiTFSI改性后测得准固态电解质离子电导率为A.SemS.cnT1。将经过增塑盐改性的准固态电解质体系滴加到染料敏化纳米晶膜上，水平放置到烘箱中在70°C的环境下持续烘烤0. 5 1. 5小时，盖上钼对电极，继续烘烤至电极间牢固结合。在室温环境，使用氙灯模拟太阳光，光强为96. 2mff. cm_2 (光强使用硅光电二极管标定)条件下，测得0.05g增塑盐LiTFSI改性的准固态电解质(氧化还原电对摩尔比 I2 KI = 1 10)染料敏化纳米晶太阳能电池(有效光照面积为0. 16cm2)的短路电流为 10. 0mA. cm-2,比未经增塑盐改性的准固态电解质太阳能电池短路电流(8. 64mA. cm—2)提高了 1. 36mA. cm-2 ；其光电转换效率为4. 21 %，比未经增塑盐改性的准固态电解质太阳能电池效率(3. 56% )提高了约18%。实施例3 0. IOg增塑盐LiTFSI加入到PEO/P (VDF-HFP)/纳米SiO2复合体系。(I2/ KI氧化还原电对摩尔比12 KI = 1 10)按质量比为2 3称取0. 2g的PEO/P (VDF-HFP)在80°C混合于6g体积比为7 3 的PC和DME的有机溶剂中，持续搅拌至溶解完全，然后加入0. 02gSi02和无水乙醇，继续加热搅拌使其混合均勻。向混合溶液中加入I2/KI氧化还原电对，摩尔比为12 KI = 1 10，Ι2/ΚΙ氧化还原电对中的K与聚氧乙烯中的0满足Κ/0摩尔比为0. 8。常温下搅拌4 8小时至共混均勻。在搅拌的同时向准固态电解质中加入0. IOg增塑盐LiTFSI，持续搅拌12 M小时。加入过程中因为高分子易于凝聚，所以不易太快。0. IOg LiTFSI改性后测得准固态电解质离子电导率为0. 716mS. cnT1。将经过增塑盐改性的准固态电解质体系滴加到染料敏化纳米晶膜上，水平放置到烘箱中在70°C的环境下持续烘烤0. 5 1. 5小时，盖上钼对电极，继续烘烤至电极间牢固结合。在室温环境，使用氙灯模拟太阳光，光强为96. 2mff. cm_2 (光强使用硅光电二极管标定)条件下，测得0. IOg增塑盐LiTFSI改性的准固态电解质(氧化还原电对摩尔比 I2 KI = 1 10)染料敏化纳米晶太阳能电池(有效光照面积为0. 16cm2)的短路电流为 10. 6mA. cm-2,比未经增塑盐改性的准固态电解质太阳能电池短路电流(8. 64mA. cm—2)提高了 1. 96mA. cm-2 ；其光电转换效率为4. 41 %，比未经增塑盐改性的准固态电解质太阳能电池效率(3. 56% )提高了约对％。对比实施例1 :I2/KI氧化还原电对摩尔比I2 KI = 1 7配制高分子复合电解质体系，PEO与P(VDF-HFP)的质量比为2 3，二氧化硅纳米粒子的质量为PEO和P (VDF-HFP)高分子总质量的10%，溶解于6克的PC/DME有机溶剂(体积比为7 3)，其中高分子占有机溶剂的质量百分比为3%。在80°C混合搅拌均勻。在符合电解质体系中，加入I2/KI氧化还原电对，其摩尔比为12 KI = 1 7，Ι2/ΚΙ氧化还原电对中的K与聚氧乙烯中的0满足Κ/0摩尔比为0.6。常温下搅拌4 8小时至共混均勻。将未经增塑盐LiTFSI改性的准固态电解质体系滴加到染料敏化纳米晶膜上，水平放置到烘箱中在70°C的环境下持续烘烤0. 5 1. 5小时，盖上钼对电极，继续烘烤至电极间牢固结合。在室温环境，使用氙灯模拟太阳光，光强为96. 2mff. cnT2，测得未经增塑盐改性的准固态电解质染料敏化纳米晶太阳能电池(有效光照面积为0. 16cm2)的光电转换效率为 4. 51%。对比实施例2 :I2/KI氧化还原电对摩尔比为12 KI = 1 10配制高分子复合电解质体系，PEO与P(VDF-HFP)的质量比为2 3，二氧化硅纳米粒子的质量为PEO和P (VDF-HFP)高分子总质量的10%，溶解于6克的PC/DME有机溶剂 (体积比为7 3)，其中高分子占有机溶剂的质量百分比为3%。在80°C混合搅拌均勻。在符合电解质体系中，加入I2/KI氧化还原电对，其摩尔比为12 KI = 1 10，Ι2/ΚΙ氧化还原电对中的K与聚氧乙烯中的0满足Κ/0摩尔比为0. 8。常温下搅拌4 8小时至共混均勻。将未经增塑盐LiTFSI改性的准固态电解质体系滴加到染料敏化纳米晶膜上，水平放置到烘箱中在70°C的环境下持续烘烤0. 5 1. 5小时，盖上钼对电极，继续烘烤至电极间牢固结合。在室温环境，使用氙灯模拟太阳光，光强为96. 2mff. cnT2，测得未经增塑盐改性的准固态电解质染料敏化纳米晶太阳能电池(有效光照面积为0. 16cm2)的光电转换效率为 3. 56%。
权利要求
1.一种染料敏化纳米晶太阳能电池准固态电解质，其特征在于包括如下组分聚氧乙烯和聚四氟乙烯偏六氟丙烯混合物、二氧化硅纳米粒子、摩尔比为1 7 1 10的I2/KI 氧化还原电对、双(三氟甲基磺酰亚胺)锂及有机溶剂Α，其中，聚氧乙烯和聚四氟乙烯偏六氟丙烯总质量为有机溶剂A质量的2 % 10 %，聚氧乙烯和聚四氟乙烯偏六氟丙烯质量比为1 4 4 1 ；二氧化硅纳米粒子的质量为聚氧乙烯和聚四氟乙烯偏六氟丙烯总质量的10 30% ；Ι2/ΚΙ氧化还原电对中的K与聚氧乙烯中的0满足Κ/0摩尔比为0. 6 0. 8 ；有机溶剂A由碳酸丙烯酯和乙二醇二甲醚组成，并且碳酸丙烯酯与乙二醇二甲醚的体积比为1 8 8 1，双(三氟甲基磺酰亚胺)锂的质量为聚氧乙烯和聚四氟乙烯偏六氟丙烯总质量的3% 15%。
2.一种染料敏化纳米晶太阳能电池准固态电解质的制备方法，其特征在于包括如下步骤①按质量比为14 41称取聚氧乙烯和聚四氟乙烯偏六氟丙烯溶于混合有机溶剂A中，聚氧乙烯和聚四氟乙烯偏六氟丙烯总质量为有机溶剂质量的2% 10%，并在 60 100°C下水浴加热使其溶解，二氧化硅纳米粒子用无水乙醇溶解并加入到混合物中， 二氧化硅纳米粒子的质量为聚氧乙烯和聚四氟乙烯偏六氟丙烯总质量的10 30%，继续加热搅拌均勻，得到高分子纳米粒子混合液，前述的混合有机溶剂A由碳酸丙烯酯和乙二醇二甲醚组成，并且碳酸丙烯酯与乙二醇二甲醚的体积比为1 8 8 1;②向步骤①所得的高分子纳米粒子混合液中分别加入摩尔比为1 7 1 10的I2/ KI氧化还原电对，常温下搅拌4 8小时至混合均勻，并且，I2/KI氧化还原电对中的K与聚氧乙烯中的0满足Κ/0摩尔比为0.6 0.8 ；③在不断搅拌的同时，向步骤②得到的准固态电解质中加入双(三氟甲基磺酰亚胺) 锂，持续搅拌至混合均勻，双(三氟甲基磺酰亚胺)锂的质量为聚氧乙烯和聚四氟乙烯偏六氟丙烯总质量的3% 15%。
3.利用权利要求1制备的准固态电解质制备染料敏化纳米晶太阳能电池的方法在染料敏化纳米晶膜表面滴加准固态电解质，于60 100°C烘箱中将电解质烘至凝胶状，盖上钼对电极并用夹子把电池固定，继续烘烤至电极之间牢固结合，即可组装成染料敏化纳米晶太阳能电池。
全文摘要
一种染料敏化纳米晶太阳能电池准固态电解质，其特征在于包括如下组分聚氧乙烯和聚四氟乙烯偏六氟丙烯混合物、二氧化硅纳米粒子、摩尔比为1∶7～1∶10的I2/KI氧化还原电对、双(三氟甲基磺酰亚胺)锂及有机溶剂A。本发明还公开了该电解质的制备方法和应用。与现有技术相比，本发明的优点在于通过双(三氟甲基磺酰亚胺)锂增塑改性的准固态电解质染料敏化纳米晶太阳能电池的短路电流和光电转换效率皆有较大提高。
文档编号H01G9/20GK102543447SQ20121005816
公开日2012年7月4日 申请日期2012年3月7日 优先权日2012年2月14日
发明者冯姜伟, 孙强, 崔艳峥, 张京, 张雪妮, 王培卿, 诸跃进, 郑君 申请人:宁波大学