專利名稱：一種共混膜及其制備方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種共混膜及其制備方法和用途。尤其是用作染料敏化納米晶太陽能電池的全固態(tài)電解質(zhì)的共混膜，屬于新型功能材料領(lǐng)域，也屬于光電轉(zhuǎn)換太陽能電池領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
迄今為止，已經(jīng)報(bào)道的染料敏化納米晶太陽能電池的效率達(dá)到了10％。然而，這些電池的空穴導(dǎo)電載體采用的是一種液態(tài)電解質(zhì)。事實(shí)上，采用液態(tài)電解質(zhì)帶來了許多實(shí)際性問題，如泄漏、染料的解吸附以及電極的腐蝕等等，這大大阻礙了染料敏化納米晶太陽能電池的實(shí)際應(yīng)用。以固態(tài)介質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì)是避免這些問題的有效途徑。目前，研究重點(diǎn)集中在采用有機(jī)空穴導(dǎo)電材料開發(fā)全固態(tài)染料光伏電池。為了尋找合適的材料作為固態(tài)電解質(zhì)，研究者做了大量的嘗試。例如室溫熔鹽、無機(jī)p-型半導(dǎo)體、有機(jī)空穴傳輸材料、高分子凝膠電解質(zhì)以及固態(tài)高分子電解質(zhì)等。遺憾的是，目前固態(tài)光電化學(xué)電池與液態(tài)體系相比，轉(zhuǎn)換效率仍然很低。這主要受在二氧化鈦納米晶薄膜與固態(tài)電解質(zhì)界面處存在高的復(fù)合率以及固態(tài)電解質(zhì)本身的電導(dǎo)率低的影響。
最近，Stergiopoulos(Nano Letters雜志，2卷，1259頁，2002年)和Kim(Chem.Commun.雜志，14卷，1662頁，2004年)分別以納米晶二氧化鈦粉末和二氧化硅納米粉末修飾聚環(huán)氧乙烷PEO固態(tài)電解質(zhì)成功制備了全固態(tài)染料敏化納米晶太陽能電池，并且分別獲得了4.2％和4.5％的轉(zhuǎn)換效率。然而，這種高能量轉(zhuǎn)換效率的固態(tài)染料敏化納米晶太陽能電池的獲得是由于提高了固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率以及電解質(zhì)與吸收染料的納米晶半導(dǎo)體層之間的界面接觸。但是，這里所采用的還原電解質(zhì)的導(dǎo)電率仍然是比較低的，在室溫下僅僅為10-5S·cm-1。
事實(shí)上，早在1997年，Jacob(Solid State Ionics雜志，140卷，267頁，1997年)等就報(bào)道了一種無溶劑的高分子電解質(zhì)，他們將聚偏氟乙烯PVDF引入到聚環(huán)氧乙烷-高氯酸鋰PEO-LiClO4體系中，離子電導(dǎo)率提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到10-4S·cm-1。眾所周知，由于PVDF眾的氟F元素具有最小的離子半徑，并具有最大的電負(fù)性，這將有利于提高離子遷移；當(dāng)應(yīng)用于染料敏化納米晶太陽能電池中時(shí)，由于其強(qiáng)烈的推電子作用將降低在納米晶電極與固態(tài)電解質(zhì)界面處的電子-空穴復(fù)合率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種共混膜及其制備方法和用途，該共混膜可作為染料敏化納米晶太陽能電池的固態(tài)電解質(zhì)，且能提高全固態(tài)染料敏化納米晶太陽能電池轉(zhuǎn)換效率；所提供的方法生產(chǎn)工藝簡單、成本低廉、效率較高。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種共混膜，包括分子量為1×103-1×106的聚偏氟乙烯(PEO)、分子量為1×103-10×106的聚環(huán)氧乙烷(PVDF)、粒徑為5-100納米的納米無機(jī)氧化物、以及摩爾比為20∶1～10∶1的氧化還原電對(duì)碘化鋰/碘(LiI/I2)。
上述聚偏氟乙烯與聚環(huán)氧乙烷的質(zhì)量比為6∶4-2∶8；加入的二氧化鈦為聚偏氟乙烯和聚環(huán)氧乙烷的總質(zhì)量的5～50％；氧化還原電對(duì)碘化鋰/碘的質(zhì)量為聚偏氟乙烯和聚環(huán)氧乙烷的總質(zhì)量的20～30％。
所用納米無機(jī)氧化物選自納米二氧化鈦、納米氧化鋅、納米二氧化硅。
本發(fā)明還提供上述共混膜的制備方法，將聚偏氟乙烯和聚環(huán)氧乙烷混合后，加入至碳酸丙烯酯(PC)和二甲醚(DME)混合溶液中，并在50～100℃下攪拌均勻；碳酸丙烯酯與二甲醚的體積比為60∶40～80∶20；加入納米無機(jī)氧化物和濃度為0.02～0.05克/毫升的氧化還原電對(duì)碘化鋰/碘的乙氰溶液；按流延法，在50～115℃下制備共混薄膜。
在上述共混膜的制備方法中，聚偏氟乙烯與聚環(huán)氧乙烷的質(zhì)量比為6∶4-2∶8；加入的二氧化鈦為聚偏氟乙烯和聚環(huán)氧乙烷的總質(zhì)量的5～50％；氧化還原電對(duì)碘化鋰/碘的質(zhì)量為聚偏氟乙烯和聚環(huán)氧乙烷的總質(zhì)量的20～30％。
所用納米無機(jī)氧化物選自納米二氧化鈦、納米氧化鋅、納米二氧化硅。
上述共混膜可作為固態(tài)電解質(zhì)在制備染料敏化納米晶太陽能電池中應(yīng)用。
本發(fā)明不僅生產(chǎn)工藝簡單、成本低廉、效率高，而且適應(yīng)范圍廣。特別是本發(fā)明共混膜可作為染料敏化納米晶太陽能電池的固態(tài)電解質(zhì)，且能提高全固態(tài)染料敏化納米晶太陽能電池轉(zhuǎn)換效率；有效減少了全固態(tài)染料敏化納米晶太陽能電池界面電荷復(fù)合對(duì)器件性能的影響；是一種具有很大發(fā)展?jié)摿褪袌銮熬暗男滦筒牧稀?br>

附圖為本發(fā)明作為固態(tài)電解質(zhì)制得的全固態(tài)染料敏化納米晶太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。
實(shí)施例1本發(fā)明共混膜(固態(tài)電解質(zhì)薄膜)按以下方法制備將0.20克按質(zhì)量比為4∶6的PEO/PVDF混合物(PEO分子量為2×104，PVDF分子量為5×104)加入至10.0克碳酸丙烯酯(PC)/二甲醚(DME)溶液中，并在80℃下持續(xù)攪拌。PC與DME的體積比為70∶30。四個(gè)小時(shí)之后，加入0.01～0.100克TiO2納米粉末P25(粒徑為46納米)和2.0克氧化還原電對(duì)I-/I3-溶液。氧化還原電對(duì)I-/I3-在加入高分子溶液中之前，按30mL乙氰加入0.316克碘化鋰和0.487克碘配置溶液。在普通玻璃上，按流延法，在80℃下制備共混薄膜。如圖所示組裝成固態(tài)染料敏化納米晶太陽能電池；圖中1為雜化電極、2為厚度為0.5～2微米的共混固態(tài)電解質(zhì)膜、3為對(duì)電極鉑。雜化電極按中國專利(申請(qǐng)?zhí)?00410060842.2(2004)；申請(qǐng)?zhí)?00410060843.7(2004))制備。
電導(dǎo)率測(cè)試表明，該共混氧化還原固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)電率為7.97×10-4S·cm-1。
在強(qiáng)度為65.2mW·cm-2的模擬太陽能光電性能測(cè)試表明，該太陽能電池獲得的閉路光電流密度Jsc＝7.9mA/cm2，開路電壓Voc＝679mV，填充因子FF＝0.58，光電轉(zhuǎn)換效率η＝4.8％。
實(shí)施例2將0.20克按質(zhì)量比為2∶8的PEO/PVDF混合物(PEO分子量為3×105，PVDF分子量為5×103)加入至10.0克碳酸丙烯酯(PC)/二甲醚(DME)溶液中，并在50℃下持續(xù)攪拌。PC與DME的體積比為70∶30。四個(gè)小時(shí)之后，加入0.01～0.100克粒徑為10納米的TiO2和2.0克氧化還原電對(duì)I-/I3-溶液(同實(shí)施例1，其中碘化鋰和碘的摩爾比為20∶1，濃度為0.04克/毫升的乙氰溶液)。在普通玻璃上，按流延法，在115℃下制備共混薄膜。如圖所示組裝成固態(tài)染料敏化納米晶太陽能電池。
電導(dǎo)率測(cè)試表明，該共混氧化還原固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)電率為2.89×10-4S·cm-1；在強(qiáng)度為65.2mW·cm-2的模擬太陽能光電性能測(cè)試表明，該太陽能電池獲得的閉路光電流密度Jsc＝7.6mA/cm2，開路電壓Voc＝665mV，填充因子FF＝0.54，光電轉(zhuǎn)換效率η＝4.2％。
實(shí)施例3將0.20克按質(zhì)量比為6∶4的PEO/PVDF混合物(PEO分子量為2×103，PVDF分子量為5×106)加入至10.0克碳酸丙烯酯(PC)/二甲醚(DME)溶液中，并在100℃下持續(xù)攪拌。PC與DME的體積比為70∶30。四個(gè)小時(shí)之后，加入0.01～0.100克粒徑為95納米的氧化鋅和2.0克氧化還原電對(duì)I-/I3-溶液(同實(shí)施例1，其中碘化鋰和碘的摩爾比為10∶1，濃度為0.04克/毫升的乙氰溶液)。在普通玻璃上，按流延法，在65℃下制備共混薄膜。如圖所示組裝成固態(tài)染料敏化納米晶太陽能電池。
電導(dǎo)率測(cè)試表明，該共混氧化還原固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)電率為2.71×10-4S·cm-1；在強(qiáng)度為65.2mW·cm-2的模擬太陽能光電性能測(cè)試表明，該太陽能電池獲得的閉路光電流密度Jsc＝7.5mA/cm2，開路電壓Voc＝660mV，填充因子FF＝0.56，光電轉(zhuǎn)換效率η＝4.3％。
實(shí)施例4按實(shí)施例1，將納米二氧化鈦改為納米二氧化硅(粒徑為11納米)，制備共混薄膜并組裝器件。
電導(dǎo)率測(cè)試表明，該共混氧化還原固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)電率為5.58×10-4S·cm-1；在強(qiáng)度為65.2mW·cm-2的模擬太陽能光電性能測(cè)試表明，該太陽能電池獲得的閉路光電流密度Jsc＝7.8mA/cm2，開路電壓Voc＝677mV，填充因子FF＝0.57，光電轉(zhuǎn)換效率η＝4.6％。
權(quán)利要求
1.一種共混膜，其特征在于包括分子量為1×103-1×106的聚偏氟乙烯、分子量為1×103-10×106的聚環(huán)氧乙烷、粒徑為5-100納米的納米無機(jī)氧化物、以及摩爾比為20∶1～10∶1的氧化還原電對(duì)碘化鋰/碘。
2.如權(quán)利要求1所述的共混膜，其特征在于聚偏氟乙烯與聚環(huán)氧乙烷的質(zhì)量比為6∶4-2∶8；加入的二氧化鈦為聚偏氟乙烯和聚環(huán)氧乙烷的總質(zhì)量的5～50％；氧化還原電對(duì)碘化鋰/碘的質(zhì)量為聚偏氟乙烯和聚環(huán)氧乙烷的總質(zhì)量的20～30％。
3.如權(quán)利要求1或2所述的共混膜，其特征在于納米無機(jī)氧化物選自納米二氧化鈦、納米氧化鋅、納米二氧化硅。
4.權(quán)利要求1或2所述共混膜的制備方法，其特征在于將聚偏氟乙烯和聚環(huán)氧乙烷混合后，加入至碳酸丙烯酯和二甲醚混合溶液中，并在50～100℃下攪拌均勻；碳酸丙烯酯與二甲醚的體積比為60∶40～80∶20；加入納米無機(jī)氧化物和濃度為0.02～0.05克/毫升的氧化還原電對(duì)碘化鋰/碘的乙氰溶液；按流延法，在50～115℃下制備共混薄膜。
5.權(quán)利要求1或2所述共混膜作為固態(tài)電解質(zhì)在制備染料敏化納米晶太陽能電池中的應(yīng)用。
全文摘要
一種共混膜，包括分子量為10
文檔編號(hào)H01L31/04GK1654531SQ20051001811
公開日2005年8月17日 申請(qǐng)日期2005年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月6日
發(fā)明者趙興中, 韓宏偉 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)