專利名稱：：用于染料敏化太陽能電池的全固態(tài)有機合金電解質(zhì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于太陽能電池等領(lǐng)域的固體電解質(zhì)和制備方法，尤其涉及一種用于染料敏化太陽能電池(DSSCs)的全固態(tài)有機合金電解質(zhì)及其制備方法。
背景技術(shù)：
：隨著化石燃料的不斷耗盡及環(huán)境污染的日趨嚴重，人們不得不尋找清潔的且可再生的能源替代目前的能源。太陽能在地球上分布廣泛，且取之不盡、用之不竭，是一種真正意義的綠色能源。因此，近年來對太陽能的開發(fā)和利用的研究發(fā)展尤為迅速?，F(xiàn)有的基于無機硅和半導(dǎo)體的光伏電池的價格昂貴，雖然經(jīng)過幾十年的技術(shù)和工藝改進，其價格已經(jīng)下降了很多，但還是超出人們普可接受的范圍，且進一步大幅降價已幾乎不可能。染料敏化太陽能電池(DSSCs)是一種新型太陽能電池，與傳統(tǒng)硅太陽能電池相比具有光電轉(zhuǎn)換率高、成本低、制作工藝簡單等優(yōu)點。目前電池光電轉(zhuǎn)換效率已提高到約10%，壽命達到20年以上，因此成為近年來國內(nèi)外研究的熱點。長期以來，液態(tài)電解質(zhì)一直作為DSSCs有效的空穴傳輸材料。如中國專利CN101261889A公開了一種用于染料敏化太陽能電池的離子液復(fù)合電解質(zhì)，該電解質(zhì)有胍基陽離子和碘陰離子的a組分和含有碘單質(zhì)的b組分組成，其中，所述b與a組分的摩爾比是1:2-1:20。使用該液態(tài)電解質(zhì)太陽能電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換率，但是，使用液態(tài)電解質(zhì)也導(dǎo)致了一系列問題密封工藝復(fù)雜、容易漏液、電池的形狀設(shè)計受限等。這些都導(dǎo)致了太陽能電池不穩(wěn)定、使用壽命短，使DSSCs的實用化受到限制。為了克服這些問題，人們提出了用固態(tài)電解質(zhì)或凝膠電解質(zhì)來代替液態(tài)電解質(zhì)作為DSSCs的空穴傳輸材料。如中國專利CN101183727A公開了一種全固態(tài)電解質(zhì)，該電解質(zhì)由鋰鹽、聚環(huán)氧乙烷和超細粉填料組成，雖然該固態(tài)電解質(zhì)克服了液態(tài)電解質(zhì)容易泄露、不宜成型的不足，但是該固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率低，并且太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率相對較低，使得該固態(tài)電解質(zhì)很難在染料敏化太陽能電池上應(yīng)用。中國專利CN101354967A公開了一種用于染料光敏化太陽能電池的準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)及其制備方法，該電解質(zhì)是由a-氰基丙烯酸酯、交聯(lián)劑、碘鹽、碘、改性劑、增塑劑和有機溶劑混合構(gòu)成。所制得的電解質(zhì)具有較高的離子傳導(dǎo)率。但是，該方法使用了多種添加劑，制備工藝復(fù)雜，且制得的電解質(zhì)常溫下只能稱為準(zhǔn)固態(tài)，熔點較低，不利于在固體染料光敏化太陽能電池中應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中固態(tài)電解質(zhì)光電轉(zhuǎn)換效率低、熔點低、難用作染料敏化太陽能電池的電解質(zhì)等不足，并提供了一種制造工藝簡單、價格低廉的可用于染料敏化太陽能電池的全固態(tài)有機合金電解質(zhì)和其制備方法。本發(fā)明制得的電解質(zhì)熔點高(80°C以上)，且具有與液態(tài)電解質(zhì)相當(dāng)?shù)碾妼?dǎo)率，由此電解質(zhì)制成的染料敏化太陽能電池(DSSCs)具有高的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種用于染料敏化太陽能電池的全固態(tài)有機合金電解質(zhì)，3其特征在于該電解質(zhì)由選自丁二腈，新戊二醇，三羥甲基乙烷，季戊四醇，樟腦，咪唑及其衍生物季銨鹽，吡啶及其衍生物季銨鹽中的兩種或三種以上塑晶構(gòu)成的有機合金材料；和占所述有機合金物質(zhì)的量的1-5%的碘，1-10%的碘化鋰或碘化鉀或碘化鈉；和占所述有機合金物質(zhì)的量的1_10%的選自甲基乙基咪唑碘、叔丁基吡啶、二(三氟甲基磺酸酰)亞胺鋰(LiTFSI)、LiBF4電導(dǎo)鹽中的一種或多種。上述的用于染料敏化太陽能電池的全固態(tài)有機合金電解質(zhì)的制備方法，其特征在于將權(quán)利要求1中所述的2種或3種以上的塑晶按照一定比例混合后，加熱至完全熔融，攪拌，使混合均勻，制得均一、穩(wěn)定溶液，冷卻至室溫，得到相應(yīng)的有機合金；然后向所述有機合金材料中加入配方量的碘，碘化鋰或碘化鉀或碘化鈉；和配方量的選自甲基乙基咪唑碘，叔丁基吡啶，二(三氟甲基磺酸酰)亞胺鋰(LiTFSI)，LiBF4等電導(dǎo)鹽中的一種或幾種，加熱至液態(tài)，攪拌均勻，冷至室溫，即得到全固態(tài)有機合金電解質(zhì)。本發(fā)明的優(yōu)點在于采用熔融法，將兩種或多種塑晶和氧化還原鹽融合形成有機合金電解質(zhì)材料。與其他制備方法相比，該方法工藝簡單、條件易控，以及離子混合均勻，特別適合制備固態(tài)DSSCs。與單一組分的固體電解質(zhì)相比，由有機合金所制得的DSSCs具有最佳光電轉(zhuǎn)換效率達到了4.35%，并且具有更好的長期穩(wěn)定性。圖l，有機合金電解質(zhì)在不同溫度下電導(dǎo)率圖。圖2，由有機合金電解質(zhì)制得的DSSCs的光電效率對時間圖。表l，有機合金電解質(zhì)中塑晶組成及對應(yīng)的DSSCs光電效率。具體的實施方式將選自丁二腈，新戊二醇，三羥甲基乙烷，季戊四醇，樟腦，咪唑及其衍生物季銨鹽，吡啶及其衍生物季銨鹽中的兩種或三種以上塑晶按照以任意比例混合后，加熱至完全熔融，攪拌，使混合均勻，制得均一、穩(wěn)定溶液，冷卻至室溫，得到相應(yīng)的有機合金；然后向所述有機合金材料中加入加入配方量的碘，碘化鋰或碘化鉀或碘化鈉，和選自甲基乙基咪唑碘，叔丁基吡啶，二(三氟甲基磺酸酰)亞胺鋰(LiTFSI)，LiBF4電導(dǎo)鹽等組成中的一種或幾種電解質(zhì)，加熱至液態(tài)，攪拌均勻，冷至室溫，即得到全固態(tài)有機合金電解質(zhì)。其中，所述有機合金既含有剛性塑晶、又含有柔性塑晶、且它們之間是可互溶的。下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進一步描述，該描述只是為了更好的說明本發(fā)明而不是對其進行限制。本發(fā)明并不限于這里所描述的特殊實例和實施方案。任何本領(lǐng)域中的技術(shù)人員很容易在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下進行進一步的改進和完善，都落入本發(fā)明的保護范圍。實施例l選擇新戊二醇(NPG)和丁二腈(SCN)兩種塑晶，將NPG和SCN按0%、20%、40%、60%、80%、100%摩爾比稱好質(zhì)量，放在一起加熱，至完全熔化，攪拌，使混合均勻，冷卻得有機合金。這些固態(tài)有機合金的熔點隨著NPG含量的增加而升高，熔點從58t:上升至122°C。再加入占有機合金物質(zhì)的量的1-5%的碘，1-10%的碘化鋰，1-10%的甲基乙基咪唑碘等電解質(zhì)，加熱至完全熔化，攪拌均勻，冷至室溫，即得到固態(tài)有機合金電解質(zhì)。NPG含量為80%的有機合金電解液的熔點達到了8(TC以上。圖1為有機合金電解質(zhì)在不同溫度下電導(dǎo)率圖。從圖中可以看出，有機合金電解質(zhì)具有很高的室溫電導(dǎo)率。在摩爾含量為20%SCN和80%NPG的有機合金電解質(zhì)中，25度時電導(dǎo)率達到了1.88mScm—、是純NPG電解質(zhì)電導(dǎo)率的9倍。繼續(xù)增加SCN含量，電解液電導(dǎo)率增加不大。所得的固態(tài)有機合金電解質(zhì)的光電效率數(shù)據(jù)如表1所示。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由表l可以看出純NPG電解質(zhì)制得的DSSCs由于電解質(zhì)的電導(dǎo)率較低，短路電流較小(Jsc=7.36mA*cm—2)，填充因子較差(FF=0.41)，轉(zhuǎn)化效率也很低(n=2.16)。而由SCN-NPG合金電解質(zhì)制備的DSSCs的Js。和FF值增加到約9mAcm—2和0.6，光電轉(zhuǎn)化效率提高了85%以上(n>4.02)。圖2是這些DSSCs的光電轉(zhuǎn)化效率對時間圖。從圖2可以看出，由純NPG電解液制備的DSSCs放置60天后，效率僅為初始值的80.7%;同時，由二元SCN-NPG合金電解質(zhì)制備的DSSCs的穩(wěn)定性提高很多。當(dāng)電解液中的SCN含量超過40%，相應(yīng)的DSSCs在60天后，效率仍保持在95%以上，表明形成了更高熔點的二元有機合金電解質(zhì)可增強DSSCs的長期穩(wěn)定性。實施例2選擇季戊四醇(PER)和丁二腈(SCN)兩種塑晶。將PER和SCN按20%、40%、60%、80%摩爾比稱好質(zhì)量，放在一起加熱，至完全熔化，攪拌，使混合均勻，冷卻得有機合金材料。再加入占有機合金物質(zhì)的量的1-5%的碘，1-10%的碘化鋰，1-10%的甲基乙基咪唑碘，1-10%的叔丁基吡啶等電解質(zhì)，加熱至完全熔化，攪拌均勻，冷至室溫，即得到固態(tài)有機合金電解質(zhì)。該固態(tài)有機合金電解質(zhì)的室溫電導(dǎo)率達到了O.05mscm—'3mscm—、PER含量為80%的有機合金電解液的熔點達到了8(TC以上。由這些固態(tài)有機合金電解質(zhì)所制備的DSSCs的光電效率達到了2%5%。實施例3選擇新戊二醇(NPG)，丁二腈(SCN)和甲基吡啶碘(MPI)三種塑晶。將NPG、SCN和mpi按i:i:o、i:i:1、2:2:1、3:3:i、i:2:1、2:i:i等摩爾比稱好質(zhì)量，放在一起加熱，至完全熔化，攪拌，使混合均勻，冷卻得有機合金材料。再加入占有機合金物質(zhì)的量的1-5%的碘，1-10%的碘化鋰，1-10%的甲基乙基咪唑碘等電解質(zhì)，，加熱至完全熔化，攪拌均勻，冷至室溫，即得到固態(tài)有機合金電解液。該固態(tài)有機合金電解質(zhì)的室4/4頁溫電導(dǎo)率達到了0.1mscm—'5mscm—、部分有機合金電解液的熔點達到了80°C以上。由這些固態(tài)有機合金電解質(zhì)所制備的DSSCs的光電效率達到了2%5%。實施例4選擇丁二腈(SCN)禾P甲基妣啶碘(MPI)兩種塑晶。將SCN和MPI按20%、40%、60%、80%摩爾比稱好質(zhì)量，放在一起加熱，至完全熔化，攪拌，使混合均勻，冷卻得有機合金材料。再加入占有機合金物質(zhì)的量的1-5%的碘，1-10%的碘化鋰，1-10%的甲基乙基咪唑碘等電解質(zhì)，加熱至完全熔化，攪拌均勻，冷至室溫，即得到固態(tài)有機合金電解液。該固態(tài)有機合金電解質(zhì)的室溫電導(dǎo)率達到了0.7mscm—'5mscm—、MPI含量為80%的有機合金電解液的熔點達到了6(TC以上。由這些固態(tài)有機合金電解質(zhì)所制備的DSSCs的光電效率達到了4%5%。權(quán)利要求一種用于染料敏化太陽能電池的全固態(tài)有機合金電解質(zhì)，其特征在于該電解質(zhì)由選自丁二腈，新戊二醇，三羥甲基乙烷，季戊四醇，樟腦，咪唑及其衍生物季銨鹽，吡啶及其衍生物季銨鹽中的兩種或三種以上塑晶構(gòu)成的有機合金材料；和占所述有機合金物質(zhì)的量的1-5％的碘，1-10％的碘化鋰或碘化鉀或碘化鈉；和占所述有機合金物質(zhì)的量的1-10％的選自甲基乙基咪唑碘、叔丁基吡啶、二(三氟甲基磺酸酰)亞胺鋰(LiTFSI)、LiBF4電導(dǎo)鹽中的一種或多種。2.如權(quán)利要求1所述的用于染料敏化太陽能電池的全固態(tài)有機合金電解質(zhì)的制備方法，其特征在于將權(quán)利要求l中所述的2種或3種以上的塑晶混合后，加熱至完全熔融，攪拌，使混合均勻，制得均一、穩(wěn)定溶液，冷卻至室溫，得到相應(yīng)的有機合金；然后向所述有機合金材料中加入配方量的碘，碘化鋰或碘化鉀或碘化鈉；和配方量的選自甲基乙基咪唑碘，叔丁基吡啶，二(三氟甲基磺酸酰)亞胺鋰(LiTFSI)，LiBF4電導(dǎo)鹽中的一種或幾種，加熱至液態(tài)，攪拌均勻，冷至室溫，即得到全固態(tài)有機合金電解質(zhì)。全文摘要本發(fā)明公開了一種用于染料敏化太陽能電池的全固態(tài)有機合金電解質(zhì)和制備方法。該電解質(zhì)由選自丁二腈，新戊二醇，三羥甲基乙烷，季戊四醇，樟腦，咪唑及其衍生物季銨鹽，吡啶及其衍生物季銨鹽中的兩種或三種以上塑晶構(gòu)成的有機合金材料；和占所述有機合金物質(zhì)的量的1-5％的碘，1-10％的碘化鋰或碘化鉀或碘化鈉；和占所述有機合金物質(zhì)的量1-10％的選自甲基乙基咪唑碘、叔丁基吡啶、二(三氟甲基磺酸酰)亞胺鋰(LiTFSI)、LiBF4電導(dǎo)鹽組成中的一種或多種。本發(fā)明制得的電解質(zhì)熔點高(80℃以上)，且具有與液態(tài)電解質(zhì)相當(dāng)?shù)碾妼?dǎo)率，由此電解質(zhì)制成的染料敏化太陽能電池(DSSCs)具有高的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。文檔編號H01L51/42GK101719427SQ20091027306公開日2010年6月2日申請日期2009年12月2日優(yōu)先權(quán)日2009年12月2日發(fā)明者姜燕,曹余良,楊漢西,艾新平申請人:武漢大學(xué)