用于染料敏化太陽(yáng)能電池的離子液體凝膠電解質(zhì)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于染料敏化太陽(yáng)能電池的電解質(zhì)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]染料敏化太陽(yáng)能電池是最近發(fā)展出的一種廉價(jià)、高效率、易制備的光電轉(zhuǎn)換器件，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都吸引了廣泛的關(guān)注^便攜的染料敏化太陽(yáng)能電池使用時(shí)往往需要經(jīng)常發(fā)生形變，容易造成封裝不嚴(yán)，電解質(zhì)滲漏或揮發(fā)，使太陽(yáng)能電池失效。
[0003]離子液體(1nic liquid)也稱為低溫熔融鹽，是指在室溫或接近室溫下呈現(xiàn)液態(tài)的、完全由離子所組成的化合物。離子液體具有穩(wěn)定、耐熱、不揮發(fā)、不易燃、電化學(xué)窗口寬等優(yōu)點(diǎn)，作為新一代的優(yōu)良溶劑受到了廣泛的關(guān)注，在電化學(xué)器件中被廣泛使用2。在染料敏化太陽(yáng)能電池中添加少量離子液體可以提高器件的效率。也有研究者使用離子液體制備染料敏化太陽(yáng)能電池的電解質(zhì)，取得了良好的效果3。然而離子液體尚未解決液體電解質(zhì)易滲漏的問題，在柔性、可拉伸器件中這一問題尤其嚴(yán)重。亦有研究者通過加入凝膠劑的方法嘗試解決電解質(zhì)的滲漏問題，然而這種方法不能解決電解質(zhì)的揮發(fā)問題4。
[0004]本發(fā)明使用聚合物將離子液體電解質(zhì)進(jìn)行凝膠化，結(jié)合了離子液體電解質(zhì)非揮發(fā)性和凝膠的非流動(dòng)性的優(yōu)點(diǎn)，制備了具有優(yōu)異穩(wěn)定性的離子液體凝膠電解質(zhì)。該電解質(zhì)能夠極大地提升染料敏化太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性，提升其使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種用于染料敏化太陽(yáng)能電池的長(zhǎng)壽命、高穩(wěn)定性的電解質(zhì)及其制備方法。
[0006]本發(fā)明提供的離子液體凝膠電解質(zhì)，包括溶劑、溶質(zhì)和凝膠劑，溶劑為烷基取代咪唑鑰鹽類離子液體，溶質(zhì)為單質(zhì)碘、碘化鋰、碘化鉀、4-叔丁基吡啶，凝膠劑為聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP);其中，碘濃度為0.01-0.2 M，碘化鋰濃度為0-0.5 M，碘化鉀濃度為0-0.5 M，4-叔丁基吡啶濃度為0-1.5 M，聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)3-50% ;此外，還含有濃度為0-2M的1，2- 二甲基-3-丙基碘化咪唑鑰(DMPII)。
[0007]本發(fā)明中，所述烷基取代咪唑鑰鹽類離子液體可為1-甲基-3-丙基碘化咪唑鑰(PMII)U-丁基-3-甲基咪唑鑰雙(三氟甲基磺酰基)亞胺鹽(BMITFSI)等。
[0008]本發(fā)明所述離子液體凝膠電解質(zhì)，作為溶劑的離子液體中陰離子為雙三氟甲基磺酰亞胺根(TFSI )或碘離子(I )，陽(yáng)離子為烷基咪唑鑰鹽離子。
[0009]本發(fā)明提供的離子液體凝膠電解質(zhì)，室溫下為凝膠，在加熱到50~200攝氏度時(shí)可轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，凝膠過程具有可逆性。
[0010]本發(fā)明提供的離子液體凝膠，具有不揮發(fā)、不滲漏、耐水、耐熱、不易燃、電化學(xué)窗口寬，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
[0011]本發(fā)明提供的離子液體凝膠電解質(zhì)具有優(yōu)異的性能，不揮發(fā)、不滲漏、耐水、耐熱、不易燃、電化學(xué)窗口寬，穩(wěn)定性好。凝膠形成后具有良好的強(qiáng)度和柔性，能夠自支撐，并且表現(xiàn)出良好的彈性(如圖la，lb)。在加熱至300攝氏度時(shí)仍然不發(fā)生失重(如圖lc)，表現(xiàn)了優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。離子液體凝膠電解質(zhì)在50攝氏度恒溫下氮?dú)獯祾?00分鐘不會(huì)揮發(fā)(如圖ld)，相對(duì)于對(duì)照組中廣泛使用的乙腈電解質(zhì)和最為常見的3甲氧基丙腈凝膠電解質(zhì)有明顯的優(yōu)勢(shì)。離子液體凝膠電解質(zhì)的電導(dǎo)率為1x10 8 -1xlO3 S/cm。
[0012]本發(fā)明的離子液體凝膠電解質(zhì)用于染料敏化太陽(yáng)能電池中，代替有機(jī)溶劑為主要成分的電解質(zhì)，能夠有效解決染料敏化太陽(yáng)能電池中傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)易揮發(fā)、易滲漏、壽命短的問題。同時(shí)，凝膠電解質(zhì)可變形的特性也更適于柔性染料敏化太陽(yáng)能電池。當(dāng)使用表面陽(yáng)極氧化生長(zhǎng)二氧化鈦的鈦絲作為工作電極，碳納米管或金屬鉑作為對(duì)電極時(shí)，使用該電解質(zhì)制備的染料敏化太陽(yáng)能電池，其開路電壓為0.3 - 0.8 V，短路電流密度為2 - 18mA/cm2，填充因子30% _80%，效率最高可達(dá)5.47%。典型J-V曲線如圖2。典型的電化學(xué)阻抗譜如圖3，顯示了良好的電荷傳導(dǎo)性能。同時(shí)，該染料敏化太陽(yáng)能電池具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，加熱至110攝氏度不會(huì)對(duì)器件或電解質(zhì)造成不可逆損害，如圖4。并且具有較長(zhǎng)的使用壽命，在非嚴(yán)格密閉體系下保存30天后能維持80%以上的原始效率，如圖5。
[0013]如果電極為可拉伸結(jié)構(gòu)，所制備的太陽(yáng)能電池還具有一定的柔性和可拉伸性，彎折后效率可保持在95%以上，拉伸25%之內(nèi)效率可保持95%。
[0014]本發(fā)明同時(shí)提供上述凝膠電解質(zhì)的制備方法，具體步驟如下:
使用烷基取代咪唑鑰鹽類離子液體為溶劑，加入濃度為0.01-0.2 M碘單質(zhì)，0-0.5 M碘化鋰，0-0.5 M碘化鉀，0-1.5 M4-叔丁基吡啶，3-50%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP);濃度為0-2 M的離子液體1，2- 二甲基-3-丙基碘化咪唑鑰(DMPII)。共同加熱，并通過攪拌、超聲等手段混合成均勻溶液，再冷卻使其凝膠化，即得到離子液體凝膠電解質(zhì)。
[0015]亦可使用有機(jī)溶劑輔助分散，具體方法為:先將所有溶質(zhì)與PVDF-HFP共同溶解于3-甲氧基丙腈或乙腈等有機(jī)溶劑中，通過加熱、攪拌、超聲分散等手段使其分散，待分散均勻后加入所需量的離子液體，之后在鼓風(fēng)烘箱或真空烘箱中加熱混合物，使有機(jī)溶劑全部揮發(fā)，冷卻后得到離子液體凝膠電解質(zhì)。
[0016]為了進(jìn)一步提高電解質(zhì)的性能，可向前述電解質(zhì)中添加硫氰酸胍(加入量為離子液體的0% - 5%)，或其他添加劑。
[0017]電池的組裝，準(zhǔn)備好工作電極和對(duì)電極，加熱上述電解質(zhì)使其變?yōu)榈驼扯纫后w，將其灌注于太陽(yáng)能電池兩電極之間，冷卻后器件內(nèi)的電解質(zhì)為凝膠態(tài)。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn):
所制備的電解質(zhì)主要成分為離子液體凝膠，室溫下為有彈性、不流動(dòng)的膠狀物，具有離子導(dǎo)電性。在常溫或加熱狀態(tài)下不揮發(fā)，加熱至300攝氏度不分解，使用該電解質(zhì)的太陽(yáng)能電池具有較高效率的同時(shí)擁有優(yōu)異的穩(wěn)定性，使用壽命遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)；
離子液體凝膠具有柔性和彈性，在可變形和可拉伸太陽(yáng)能電池中可以隨器件發(fā)生形變，避免了固態(tài)電解質(zhì)中的應(yīng)力積累和脆裂風(fēng)險(xiǎn)；
本電解質(zhì)具有熱塑性，加熱至一定溫度可變?yōu)槿芤?，方便加工。加熱熔融后粘度低、流?dòng)性好，能夠借助毛細(xì)作用滲入電極縫隙之中，保證良好的接觸； 由于離子液體的非揮發(fā)性，本電解質(zhì)在加熱過程中不存在揮發(fā)問題，從而解決了凝膠電解質(zhì)在加熱注入過程中的揮發(fā)、成分改變、不能長(zhǎng)期受熱的問題，方便用于更多注入工
-H-
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[0019]相對(duì)于聚合離子液體電解質(zhì)，本技術(shù)操作簡(jiǎn)單，不需要在電池制備過程中引入復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，簡(jiǎn)化了制備過程。
【附圖說明】
[0020]圖1，a、b，離子液體凝膠電解質(zhì)在自然和彎曲狀態(tài)下的光學(xué)照片；c，離子液體凝膠電解質(zhì)的熱重分析曲線；d，離子液體凝膠電解質(zhì)與另外兩種廣泛使用的電解質(zhì)的揮發(fā)性對(duì)比，在50攝氏度下氮?dú)獯祾邥r(shí)測(cè)量失重情況。
[0021]圖2，使用離子液體凝膠電解質(zhì)的太陽(yáng)能電池的J-V曲線。
[0022]圖3，使用離子液體凝膠電解質(zhì)的太陽(yáng)能電池的電化學(xué)阻抗譜(EIS)曲線。
[0023]圖4，離子液體凝膠電解質(zhì)和乙腈為溶劑的傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)效率(η)與原始效率(η。)比值在加熱條件的對(duì)比。
[0024]圖5，簡(jiǎn)易封裝后，離子液體凝膠電解質(zhì)和乙腈為溶劑的傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)效率(η )與原始效率(ru)比值在三十天內(nèi)的對(duì)比。
【具體實(shí)施方式】
[0025]實(shí)施例1，離子液體凝膠電解質(zhì)的制備
使用離子液體1-甲基-3-丙基碘化咪唑鑰(PMII)為溶劑，加入濃度為0.05 M的碘單質(zhì)，0.05 M碘化鋰，0.05 M碘化鉀，0.5 M 4-叔丁基吡啶，20wt%的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)，共同加熱并通過攪拌、超聲等手段混合成均勻溶液，再冷卻成為凝膠，即為離子液體凝膠電解質(zhì)。
[0026]所制備的太陽(yáng)能電池(工作電極有效面積0.12 cm2)開路電壓為0.6 V，短路電流密度為9 mA/cm2，填充因子60%，效率3.24%。該太陽(yáng)能電池具有優(yōu)