本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种染料敏化太阳能电池部件，具体地说，涉及一种基于离子晶体的染料敏化太阳能电池用固态电解质。
背景技术：
随着能源的日益短缺和环境问题的日渐突出，清洁可再生能源的开发越来越受到人们的关注，对清洁可再生能源装置太阳能电池的研究也不断深入。染料敏化太阳能电池作为众多太阳能电池中的一种，由于其具有高效率、低成本的优点近年来成为业内关注的焦点。
电解质是染料敏化太阳能电池的核心部件，主要承担传输氧化还原对、将光激发染料还原的作用，其性能的优劣直接影响太阳能电池效率和循环使用寿命。现有技术中常见的染料敏化太阳能电池用电解质有液态、准固态、固态等多种形式。其中液态电解质一般含有无机或有机碘化物、碘、添加剂以及有机溶剂等，具有电导率高，离子扩散速度快，对多孔光阳极渗透性好等优点，但其存在易泄漏、易挥发、难封装、高毒性、稳定性差及染料易解吸附等缺点；准固态电解质中由于含有少量的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、离子液体等溶剂，仍然存在易泄漏、难封装的问题。固态电解质具有良好的长期稳定性，但其电导率较低，导致用固态电解质制备的染料敏化太阳能电池光电转化效率较低。
因此，寻求更为有效的方法，制备出同时具有高效率和高稳定性的染料敏化太阳能电池用电解质具有广泛的市场价值和商业化应用前景。
技术实现要素：
为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于离子晶体的染料敏化太阳能电池用固态电解质，该固态电解质原料易得，价格低廉；与现有技术中公开的染料敏化太阳能电池电解质相比，导电率更高，稳定性更好，更易封装，不含有机溶剂，安全性更好，且对提高染料敏化太阳能电池光电转化效率和工作稳定性更有效。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是，一种基于离子晶体的染料敏化太阳能电池用固态电解质，包括如下重量份的组分：氰基咪唑型离子晶体40-50份，(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯3-7份，碘单质5-10份，添加剂5-10份。
优选地，所述的添加剂为甲基苯并咪唑(MBI)、丁基苯并咪唑(NBB)、叔丁基吡啶(TBP)中的一种或几种。
优选地，所述氰基咪唑型离子晶体的制备方法，包括如下步骤：
1)1-烷基-4,5-二氰基咪唑的制备：将4,5-二氰基咪唑溶于有机溶剂中，后向其中加入碘代烷烃和碱性催化剂，在40-60℃下搅拌反应8-10小时，后经过过滤、向反应体系中加入水，分液取有机相，旋蒸除去有机溶剂步骤，得到1-烷基-4,5-二氰基咪唑；
2)氰基咪唑型离子晶体的制备：将经过步骤1)制备得到的1-烷基-4,5-二氰基咪唑溶于乙醚中，并向其中加入与步骤1)中相同的碘代烷烃，在40-50℃下搅拌反应6-8小时，后用乙酸乙酯洗涤5-7次，旋蒸除去溶剂。
优选地，步骤1)中所述4,5-二氰基咪唑、有机溶剂、碘代烷烃、碱性催化剂的质量比为1：(10-15)：(1.5-2)：(0.5-1)。
优选地，所述有机溶剂选自乙腈、氯仿中的一种或两种；所述碱性催化剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾中的一种或几种。
优选地，所述碘代烷烃选自碘甲烷、碘乙烷、1-碘丙烷、1-碘丁烷中的一种或几种。
优选地，步骤2)中所述1-烷基-4,5-二氰基咪唑、乙醚、碘代烷烃的质量比为(1.5-2)：(6-10):1。
优选地，所述(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯的制备方法，包括如下步骤：
1)环氧改性富勒烯的制备：将氨基改性富勒烯分散于脂肪醇中，并向其中加入环氧氯丙烷和氢氧化钾，在70-80℃下回流搅拌反应5-8小时，旋蒸除去溶剂，后用水离心洗涤5-7次，并置于100-110℃的真空干燥箱中烘得到环氧改性富勒烯；
2)(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯的制备：将经过步骤1)制备得到的环氧改性富勒烯分散于高沸点溶剂中，再向其中加入(4-二茂铁乙炔基)苯胺，在70-80℃下搅拌反应6-8小时，旋蒸除去溶剂，后用二氯甲烷离心洗涤6-8次，得到(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯。
优选地，步骤1)中所述氨基改性富勒烯、脂肪醇、环氧氯丙烷、氢氧化钾的质量比为(3-5)：(15-20):(1-2)：1。
优选地，所述脂肪醇选自乙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或几种。
优选地，步骤2)中所述环氧改性富勒烯、高沸点溶剂、(4-二茂铁乙炔基)苯胺的质量比为(3-6)：(15-20):1。
优选地，所述高沸点溶剂选自二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种。
一种染料敏化太阳能电池，采用所述基于离子晶体的染料敏化太阳能电池用固态电解质作为电解质。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1)本发明提供的一种基于离子晶体的染料敏化太阳能电池用电解质呈固态，不含有有机溶剂，不存在泄漏问题，有利于提高染料敏化太阳能电池工作稳定性。
2)本发明提供的基于离子晶体的染料敏化太阳能电池用电解质，同时添加了氰基咪唑型离子晶体和(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯，两者协同作用，使得所制备的电解质具有优异的电导率，且能有效提高应用该固态电解质的染料敏化太阳能电池光电转化效率，克服了传统固态电解质电导率较低的技术问题。
3)本发明提供的基于离子晶体的染料敏化太阳能电池用电解质，添加氰基咪唑型离子晶体，这种离子晶体在咪唑环上连接有氰基，与咪唑环一起构成共轭结构，有利于提高电解质稳定性，还可以改善电解质的性能，增强电解质的导电能力和离子迁移率，原因在于该离子晶体富含电子基团或者强吸电子基团，通过这些官能团可以有效地作用于电解质中的离子(如：与氧化电对反应)或者工作电极(如：使TiO2平带电位发生移动)，甚至与对电极(增强其催化性能)发生些相互作用。
4)本发明提供的基于离子晶体的染料敏化太阳能电池用电解质，添加了(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯，二茂铁炔基、苯胺和富勒烯均能增强导电率，与氰基咪唑型离子晶体一起应用于染料敏化太阳能电池中，可以同时提高电池的开路电压和短路电流，从而在很大程度上提高电池的光电转换效率。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的以及优点更加清晰易懂，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明下述实施例中所使用的(4-二茂铁乙炔基)苯胺为自己合成，合成参见：王林萍，基于(4-二茂铁乙炔基)苯胺/石墨烯复合物的电化学传感器研究，湖南师范大学。其他原料来自于上海泉昕进出口贸易有限公司。
实施例1
一种基于离子晶体的染料敏化太阳能电池用固态电解质，包括如下重量份的组分：氰基咪唑型离子晶体40份，(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯3份，碘单质5份，甲基苯并咪唑(MBI)5份。
所述氰基咪唑型离子晶体的制备方法，包括如下步骤：
1)1-甲基-4,5-二氰基咪唑的制备：将4,5-二氰基咪唑10g溶于乙腈100g中，后向其中加入碘甲烷15g和氢氧化钠5g，在40℃下搅拌反应8小时，后经过过滤、向反应体系中加入水，分液取有机相，旋蒸除去有机溶剂步骤，得到1-甲基-4,5-二氰基咪唑；
2)氰基咪唑型离子晶体的制备：将经过步骤1)制备得到的1-甲基-4,5-二氰基咪唑15g溶于乙醚60g中，并向其中加入与步骤1)中碘甲烷10g，在40℃下搅拌反应6小时，后用乙酸乙酯洗涤5次，旋蒸除去溶剂。
所述(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯的制备方法，包括如下步骤：
1)环氧改性富勒烯的制备：将氨基改性富勒烯30g分散于乙醇150g中，并向其中加入环氧氯丙烷10g和氢氧化钾10g，在70℃下回流搅拌反应5小时，旋蒸除去溶剂，后用水离心洗涤5次，并置于100℃的真空干燥箱中烘得到环氧改性富勒烯；
2)(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯的制备：将经过步骤1)制备得到的环氧改性富勒烯30g分散于二甲亚砜150g中，再向其中加入(4-二茂铁乙炔基)苯胺10g，在70℃下搅拌反应6小时，旋蒸除去溶剂，后用二氯甲烷离心洗涤6次，得到(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯。
一种染料敏化太阳能电池，采用所述基于离子晶体的染料敏化太阳能电池用固态电解质作为电解质。
实施例2
一种基于离子晶体的染料敏化太阳能电池用固态电解质，包括如下重量份的组分：氰基咪唑型离子晶体43份，(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯4份，碘单质7份，丁基苯并咪唑(NBB)6份。
所述氰基咪唑型离子晶体的制备方法，包括如下步骤：
1)1-乙基-4,5-二氰基咪唑的制备：将4,5-二氰基咪唑10g溶于氯仿120g中，后向其中加入碘乙烷17g和氢氧化钾6g，在45℃下搅拌反应8.5小时，后经过过滤、向反应体系中加入水，分液取有机相，旋蒸除去有机溶剂步骤，得到1-乙基-4,5-二氰基咪唑；
2)氰基咪唑型离子晶体的制备：将经过步骤1)制备得到的1-乙基-4,5-二氰基咪唑17g溶于乙醚78g中，并向其中加入与步骤1)中碘乙烷10g，在43℃下搅拌反应6.5小时，后用乙酸乙酯洗涤6次，旋蒸除去溶剂。
所述(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯的制备方法，包括如下步骤：
1)环氧改性富勒烯的制备：将氨基改性富勒烯35g分散于异丙醇165g中，并向其中加入环氧氯丙烷13g和氢氧化钾10g，在73℃下回流搅拌反应7小时，旋蒸除去溶剂，后用水离心洗涤6次，并置于104℃的真空干燥箱中烘得到环氧改性富勒烯；
2)(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯的制备：将经过步骤1)制备得到的环氧改性富勒烯40g分散于N-甲基吡咯烷酮175g中，再向其中加入(4-二茂铁乙炔基)苯胺10g，在75℃下搅拌反应7小时，旋蒸除去溶剂，后用二氯甲烷离心洗涤7次，得到(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯。
一种染料敏化太阳能电池，采用所述基于离子晶体的染料敏化太阳能电池用固态电解质作为电解质。
实施例3
一种基于离子晶体的染料敏化太阳能电池用固态电解质，包括如下重量份的组分：氰基咪唑型离子晶体46份，(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯5份，碘单质7份，叔丁基吡啶(TBP)7份。
所述氰基咪唑型离子晶体的制备方法，包括如下步骤：
1)1-丙基-4,5-二氰基咪唑的制备：将4,5-二氰基咪唑10g溶于乙腈135g中，后向其中加入1-碘丙烷18g和碳酸钠7.5g，在50℃下搅拌反应9小时，后经过过滤、向反应体系中加入水，分液取有机相，旋蒸除去有机溶剂步骤，得到1-丙基-4,5-二氰基咪唑；
2)氰基咪唑型离子晶体的制备：将经过步骤1)制备得到的1-丙基-4,5-二氰基咪唑18g溶于乙醚80g中，并向其中加入1-碘丙烷10g，在46℃下搅拌反应7小时，后用乙酸乙酯洗涤6次，旋蒸除去溶剂。
所述(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯的制备方法，包括如下步骤：
1)环氧改性富勒烯的制备：将氨基改性富勒烯40g分散于正丁醇180g中，并向其中加入环氧氯丙烷18g和氢氧化钾10g，在76℃下回流搅拌反应7小时，旋蒸除去溶剂，后用水离心洗涤7次，并置于106℃的真空干燥箱中烘得到环氧改性富勒烯；
2)(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯的制备：将经过步骤1)制备得到的环氧改性富勒烯50g分散于N,N-二甲基甲酰胺185g中，再向其中加入(4-二茂铁乙炔基)苯胺10g，在77℃下搅拌反应7小时，旋蒸除去溶剂，后用二氯甲烷离心洗涤7次，得到(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯。
一种染料敏化太阳能电池，采用所述基于离子晶体的染料敏化太阳能电池用固态电解质作为电解质。
实施例4
一种基于离子晶体的染料敏化太阳能电池用固态电解质，包括如下重量份的组分：氰基咪唑型离子晶体48份，(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯6份，碘单质8份，添加剂8份；所述的添加剂是甲基苯并咪唑(MBI)、丁基苯并咪唑(NBB)、叔丁基吡啶(TBP)按质量比2:3:5混配而成。
所述氰基咪唑型离子晶体的制备方法，包括如下步骤：
1)1-丁基-4,5-二氰基咪唑的制备：将4,5-二氰基咪唑10g溶于氯仿142g中，后向其中加入1-碘丁烷19g和碳酸钾9g，在55℃下搅拌反应9.5小时，后经过过滤、向反应体系中加入水，分液取有机相，旋蒸除去有机溶剂步骤，得到1-丁基-4,5-二氰基咪唑；
2)氰基咪唑型离子晶体的制备：将经过步骤1)制备得到的1-丁基-4,5-二氰基咪唑19g溶于乙醚93g中，并向其中加入1-碘丁烷10g，在48℃下搅拌反应7.5小时，后用乙酸乙酯洗涤7次，旋蒸除去溶剂。
所述(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯的制备方法，包括如下步骤：
1)环氧改性富勒烯的制备：将氨基改性富勒烯45g分散于脂肪醇190g中，并向其中加入环氧氯丙烷18.5g和氢氧化钾10g，在78℃下回流搅拌反应7.5小时，旋蒸除去溶剂，后用水离心洗涤6次，并置于108℃的真空干燥箱中烘得到环氧改性富勒烯；所述脂肪醇是乙醇、异丙醇、正丁醇按质量比1:2:4混配而成。
2)(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯的制备：将经过步骤1)制备得到的环氧改性富勒烯58g分散于N-甲基吡咯烷酮190g中，再向其中加入(4-二茂铁乙炔基)苯胺10g，在78℃下搅拌反应7.5小时，旋蒸除去溶剂，后用二氯甲烷离心洗涤8次，得到(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯。
一种染料敏化太阳能电池，采用所述基于离子晶体的染料敏化太阳能电池用固态电解质作为电解质。
实施例5
一种基于离子晶体的染料敏化太阳能电池用固态电解质，包括如下重量份的组分：氰基咪唑型离子晶体50份，(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯7份，碘单质10份，丁基苯并咪唑(NBB)10份。
所述氰基咪唑型离子晶体的制备方法，包括如下步骤：
1)1-乙基-4,5-二氰基咪唑的制备：将4,5-二氰基咪唑10g溶于氯仿150g中，后向其中加入碘乙烷20g和碱性催化剂10g，在60℃下搅拌反应10小时，后经过过滤、向反应体系中加入水，分液取有机相，旋蒸除去有机溶剂步骤，得到1-乙基-4,5-二氰基咪唑；所述碱性催化剂是氢氧化钠、碳酸钠按质量比3:5混配而成。
2)氰基咪唑型离子晶体的制备：将经过步骤1)制备得到的1-乙基-4,5-二氰基咪唑20g溶于乙醚100g中，并向其中加入与步骤1)中相同的碘乙烷10g，在50℃下搅拌反应8小时，后用乙酸乙酯洗涤7次，旋蒸除去溶剂。
所述(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯的制备方法，包括如下步骤：
1)环氧改性富勒烯的制备：将氨基改性富勒烯50g分散于异丙醇200g中，并向其中加入环氧氯丙烷20g和氢氧化钾10g，在80℃下回流搅拌反应8小时，旋蒸除去溶剂，后用水离心洗涤7次，并置于110℃的真空干燥箱中烘得到环氧改性富勒烯；
2)(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯的制备：将经过步骤1)制备得到的环氧改性富勒烯60g分散于N,N-二甲基甲酰胺200g中，再向其中加入(4-二茂铁乙炔基)苯胺10g，在80℃下搅拌反应8小时，旋蒸除去溶剂，后用二氯甲烷离心洗涤8次，得到(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯。
一种染料敏化太阳能电池，采用所述基于离子晶体的染料敏化太阳能电池用固态电解质作为电解质。
对比例1
本例提供一种固态电解质，其组分与实施例1中的基本相同，不同的是：其中不含有(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯。
对比例2
本例提供一种固态电解质,按照中国发明专利CN102592832A实施例13方法制备得到。
将实施例1-5和对比例1-2所述准固态电解质趁热滴到到光阳极染料二氧化钛膜与Pt电极之间，进一步加热使得凝胶电解质完全渗透到二氧化钛膜多孔膜中，通过真空填充技术组装染料敏化太阳能电池，在25℃下，使用氙灯模拟太阳光，光强100mW/cm2条件下，测得电池(有效面积0.16cm2)光电参数见表1。
表1染料敏化太阳能电池光电性能参数
从上表可以看出，本发明实施例公开的固态电解质组装成染料敏化太阳能电池后，太阳能电池光电转换效率在6.52-7.22％之间，远远高于对比例1光电转化效率3.85％，可见，本发明实施例公开的固态电解质有利于提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率等光学性能，(4-二茂铁乙炔基)苯胺改性富勒烯的加入对提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率、开路电压和短路电流均有促进作用。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。