本发明涉及一种用于染料敏化太阳能电池的固态电解质，尤其涉及一种用于染料敏化太阳能电池的原位聚合的聚合物固态电解质及其制备方法。
背景技术：
1991年m
染料敏化太阳能电池由于制作方法简单、成本低廉、转换效率较高而成为传统硅太阳能电池的有力竞争者，引起了广泛的关注和研究,并取得了不错的进展。但是通常使用的液态电解质存在稳定性差、封装困难、容易泄漏挥发以及电池寿命短等问题,降低了dssc的实用性，阻碍了dssc的产业化。为解决以上问题，稳定性较高的凝胶电解质或固态电解质发展起来，特别是固态电解质，更是电池发展的主要方向。
在由聚合物电解质制备固态染料敏化太阳能电池时有两种方法，⑴可以通过注入液态预聚体电解质到两电极之间，而后预聚体发生反应，同时部分有机溶剂挥发，即原位固化；⑵先制备聚合物固态电解质，用两电极把其压在中间而形成固态染料敏化太阳能电池。由第二种方法组装dssc时，由于聚合物电解质很难与tio2膜的密切接触，因此电池的光电转化效率较低，在1％左右(100mw/cm2)。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于染料敏化太阳能电池的原位聚合的聚合物固态电解质及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的用于染料敏化太阳能电池的原位聚合的聚合物固态电解质，包括预聚物和液态电解质；
所述液体电解质包括碘盐和碘与有机溶剂，碘盐的i-摩尔浓度为0.1-1摩尔/升，碘的i3-的摩尔浓度为0.01-0.1摩尔/升；
所述预聚物由异氰酸酯与二元或多元醇经逐步加成聚合反应而制得；
所述预聚物与液态电解质的质量比为1：1～10。
上述的用于染料敏化太阳能电池的原位聚合的聚合物固态电解质的制备方法，按下述步骤进行：
a、将碘化钾和碘用有机溶剂溶解，使碘化钾的i-摩尔浓度为0.1-1摩尔/升和碘的i3-的摩尔浓度为0.01-0.1摩尔/升，其有机溶剂为1，4-丁内酯、n-甲基吡咯烷酮、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、乙腈、碳酸二甲酯或碳酸二乙酯的一种或两种或两种以上的组合并混合均匀，得到液体电解质；
b、将所使用的多元醇在110℃～120℃，真空压力为0.13kpa下，脱水2h左右，降温到40℃～50℃时，加入配制好的液态电解质，搅拌混合均匀以后，滴加计量好的多异氰酸酯，继续搅拌混合均匀，预聚体与液体电解质的重量比为1：1～10；
c、将在5×10-4mol·l-1联吡啶钌染料rul2(ncs)2:2tba的无水乙醇溶液中浸泡12小时的纳米晶多孔tio2薄膜电极取出，吹干，将预聚体溶液涂覆在tio2膜上，在通风装置中保持一定温度反应一段时间后，再将铂修饰的对电极与tio2电极对齐，用夹子把电池夹住，即得固态染料敏化太阳能电池。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的用于染料敏化太阳能电池的原位聚合的聚合物固态电解质及其制备方法，聚氨酯是典型的缩聚产物，其液态的预聚体在染料敏化太阳能电池中可原位聚合，形成聚合物固态电解质。该固态电解质的预聚物溶液与tio2电极接触良好，电池转换效率高，同时又可解决电池的封装和电解质易泄露的问题。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的用于染料敏化太阳能电池的原位聚合的聚合物固态电解质及其制备方法，其较佳的具体实施方式是：
用于染料敏化太阳能电池的原位聚合的聚合物固态电解质包括预聚物和液态电解质；
所述液体电解质包括碘盐和碘与有机溶剂，碘盐的i-摩尔浓度为0.1-1摩尔/升，碘的i3-的摩尔浓度为0.01-0.1摩尔/升；
所述预聚物由异氰酸酯与二元或多元醇经逐步加成聚合反应而制得；
所述预聚物与液态电解质的质量比为1：1～10。
所述的有机溶剂为1，4-丁内酯、n-甲基吡咯烷酮、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、乙腈、碳酸二甲酯或碳酸二乙酯中的一种或两种或两种以上的组合。
所述的二元或多元醇为聚醚多元醇、聚酯多元醇、烷羟基硅油、羟基聚醚硅油、含端羟基咪唑类聚离子液体中的一种或两种。
上述的用于染料敏化太阳能电池的原位聚合的聚合物固态电解质的制备方法，按下述步骤进行：
a、将碘化钾和碘用有机溶剂溶解，使碘化钾的i-摩尔浓度为0.1-1摩尔/升和碘的i3-的摩尔浓度为0.01-0.1摩尔/升，其有机溶剂为1，4-丁内酯、n-甲基吡咯烷酮、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、乙腈、碳酸二甲酯或碳酸二乙酯的一种或两种或两种以上的组合并混合均匀，得到液体电解质；
b、将所使用的多元醇在110℃～120℃，真空压力为0.13kpa下，脱水2h左右，降温到40℃～50℃时，加入配制好的液态电解质，搅拌混合均匀以后，滴加计量好的多异氰酸酯，继续搅拌混合均匀，预聚体与液体电解质的重量比为1：1～10；
c、将在5×10-4mol·l-1联吡啶钌染料rul2(ncs)2:2tba的无水乙醇溶液中浸泡12小时的纳米晶多孔tio2薄膜电极取出，吹干，将预聚体溶液涂覆在tio2膜上，在通风装置中保持一定温度反应一段时间后，再将铂修饰的对电极与tio2电极对齐，用夹子把电池夹住，即得固态染料敏化太阳能电池。
本发明的用于染料敏化太阳能电池的原位聚合的聚合物固态电解质及其制备方法，聚氨酯是典型的缩聚产物，其液态的预聚体在染料敏化太阳能电池中可原位聚合，形成聚合物固态电解质。该固态电解质的预聚物溶液与tio2电极接触良好，电池转换效率高，同时又可解决电池的封装和电解质易泄露的问题，在染料敏化太阳能电池领域将具有很好的应用前景。
原位固化由于预聚体(或低聚物)电解质呈液体状态，溶液的粘度较低，分子较小，可以完全渗透到tio2膜的内部，然后在一定条件下进行反应，可以保证电解质与tio2膜密切接触。因此通过原位聚合组装的固态dssc光电转化效率可以提高到3.5％以上(100mw/cm2)。
本发明的用于染料敏化太阳能电池的原位聚合的聚合物固态电解质与tio2电极面的接触良好，转换效率较高，又解决电池的封装和电解质易泄露的问题的用于染料敏化太阳能电池的聚合物固态电解质，从而提高染料敏化太阳能电池的稳定性、安全性奠定基础。
本发明的用于染料敏化太阳能电池的原位聚合的聚合物固态电解质，由液体电解质和低聚物形成预聚体，涂覆到tio2电极上，在通风装置中一定温度下反应一段时间后，将铂修饰的对电极与tio2电极对齐，用夹子把电池夹住，即得固态染料敏化太阳能电池。
本发明通过将液态的聚合物预聚体直接涂覆到tio2电极上，在通风装置中70－90℃条件下预聚物继续发生反应，形成固态电解质。本发明有效解决了染料敏化电池领域中聚合物固态电解质与tio2膜的密切接触问题，提高了基于固态电解质的dssc的光电转化效率。
将上述制备的聚合物固态电解质用于染料敏化太阳能电池中，在100mw/cm2(am1.5)的模拟光照下,其短路电流、开路电压、填充因子、光电转化效率分别为9.15－16.44ma·cm-2、705－755mv、0.40－0.60、3.44－5.96％。
所述染料敏化太阳能电池中的染料为含钌染料n719。
所述染料敏化太阳能电池中的光阳极为纳米tio2膜。
所述染料敏化太阳能电池中的光阴极为pt对电极。
由于采取上述技术方案使本发明技术与己有技术相比具有如下优点及效果：
(a)聚氨酯及其系列共聚物或共混物非常适合用作dssc的固态电解质。其特有的两相结构使固态电解质既具有良好的力学性能又具有较高的离子电导率；其良好的粘结能力，特别是对金属和玻璃，有利于改善固态电解质与tio2膜和对电极的界面结合。
(b)本发明用于染料敏化太阳能电池的这类电解质，原料易得，制备过程简单，所制备的聚合物前驱体溶液可直接涂覆到tio2膜电极上，改善电解质与tio2膜的接触，提高dssc的光电转化效率，并有效解决dssc的封装问题；
(c)制备的聚合物固态电解质用于染料敏化太阳能电池中，在100mw/cm2(am1.5)的模拟光照下,其短路电流、开路电压、填充因子、光电转化效率分别为9.15－16.44ma·cm-2、705－755mv、0.40－0.60、3.44－5.99％。
具体实施例：
实施例1
将碘化钾16.6g和碘2.54g用乙腈1000ml溶解，使碘化钾的i-摩尔浓度为0.1摩尔/升和碘的i3-的摩尔浓度为0.01摩尔/升，得到液体电解质；称取10g的聚乙二醇(分子量为10000)置于烧瓶中，在110℃～120℃，真空压力为0.13kpa下，脱水2h左右。降温到70℃时，通入氮气，加入配制好的液态电解质20g，搅拌混合均匀，滴加1.22g甲苯二异氰酸酯(tdi)，继续搅拌混合均匀，得到聚氨酯固态电解质前驱体溶液，呈流动状态。将在5×10-4mol·l-1联吡啶钌染料rul2(ncs)2:2tba的无水乙醇溶液中浸泡了12小时的纳米晶多孔tio2薄膜电极取出，用无水乙醇冲洗，干燥。将tio2电极膜面朝上放在通风装置中，将上述聚氨酯前驱体溶液涂覆到tio2膜电极上，70℃反应60分钟后，再将干净的修饰有铂的对电极面朝下与tio2对齐，是两片玻璃微微错开，留出约4mm宽的导电部分作为电池测试用，用夹子把电池夹住，在70℃下继续反应30分钟，预聚体发生反应形成聚氨酯固态电解质，得到固态染料敏化太阳能电池。该电池在100mw/cm2(am1.5)的模拟光照下,短路电流、开路电压、填充因子、光电转化效率分别为9.15ma·cm-2、725mv、0.56、3.71％。
实施例2
将碘化锂40.1g和碘7.61g用1,4-丁内酯1000ml溶解，使碘化锂的i-摩尔浓度为0.3摩尔/升和碘的i3-的摩尔浓度为0.03摩尔/升，得到液体电解质；称取聚乙二醇(分子量为6000)10g、羟基封端的氧化丙烯-二甲基硅氧烷-环氧丙烷嵌段共聚物(分子量6000)4g在120℃，真空压力为0.13kpa下，脱水2h左右。降温到80℃时，通入氮气，加入配制好的液态电解质40g，搅拌混合均匀，滴加计量好的六亚甲基二异氰酸酯hdi1.95g，缓慢升温，稳定在80℃下继续反应，得到聚氨酯固态电解质前驱体溶液，呈流动状态。将在5×10-4mol·l-1联吡啶钌染料rul2(ncs)2:2tba的无水乙醇溶液中浸泡了12小时的纳米晶多孔tio2薄膜电极取出，用无水乙醇冲洗，干燥。将tio2电极膜面朝上放在通风装置中，将上述聚氨酯前驱体溶液涂覆到tio2膜电极上，80℃反应60分钟后，再将干净的修饰有铂的对电极面朝下与tio2对齐，是两片玻璃微微错开，留出约4mm宽的导电部分作为电池测试用，用夹子把电池夹住，在80℃下继续反应40分钟，预聚体发生反应形成聚氨酯固态电解质，得到固态染料敏化太阳能电池。该电池在100mw/cm2(am1.5)的模拟光照下,短路电流、开路电压、填充因子、光电转化效率分别为11.48ma·cm-2、765mv、0.50、4.39％。
实施例3
将碘化钠75g和碘12.69g用n-甲基吡咯烷酮1000ml溶解，使碘化钠的i-摩尔浓度为0.5摩尔/升和碘的i3-的摩尔浓度为0.05摩尔/升，得到液体电解质；含端羟基咪唑类聚离子液体20.0g在120℃，真空压力为0.13kpa下，脱水2h左右；降温到75℃，通入氮气，加入配制好的液态电解质50g，搅拌混合均匀，加入异氰酸酯ipdi13.5g，得到聚氨酯电解质前驱体溶液，呈流动状态。将在5×10-4mol·l-1联吡啶钌染料rul2(ncs)2:2tba的无水乙醇溶液中浸泡了12小时的纳米晶多孔tio2薄膜电极取出，用无水乙醇冲洗，干燥。将tio2电极膜面朝上放在通风装置中，将上述聚氨酯前驱体溶液涂覆到tio2膜电极上，75℃反应80分钟后，再将干净的修饰有铂的对电极面朝下与tio2对齐，是两片玻璃微微错开，留出约4mm宽的导电部分作为电池测试用，用夹子把电池夹住，在80℃下继续反应50分钟，预聚体发生反应形成聚氨酯固态电解质，得到固态染料敏化太阳能电池。该电池在100mw/cm2(am1.5)的模拟光照下,短路电流、开路电压、填充因子、光电转化效率分别为16.44ma·cm-2、715mv、0.51、5.99％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。